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    1. 面向2035的智能制造技术预见和路线图研究
    臧冀原, 刘宇飞, 王柏村, 苗仲桢, 薛塬, 李培根
    机械工程学报    2022, 58 (4): 285-304.   DOI: 10.3901/JME.2022.04.285
    摘要913)      PDF(pc) (3613KB)(1306)    收藏
    近年来,我国围绕智能制造技术及其应用开展了大量研究工作,面对智能制造不断涌现的新技术、新理念、新模式,为更好推动后续智能制造技术相关研究的有序开展,对智能制造中的智能产品、离散型制造、流程型制造、新模式新业态、工业智联网、智能制造云等六个方向,分别通过技术体系构建与技术态势扫描、技术清单制定、问卷调查与专家研讨等方法与过程,从目标层、实施层、保障层等三个层次绘制面向2035年的智能制造技术路线图,并指出目前智能制造需要集中力量攻克的关键技术清单,以期为未来智能制造技术发展的政策制定、价值评价、竞争力评价、战略管理和科学研究等提供参考。
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    2. 跨设备的机械故障靶向迁移诊断方法
    雷亚国, 杨彬, 李乃鹏, 李响, 武通海
    机械工程学报    2022, 58 (12): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2022.12.001
    摘要894)      PDF(pc) (580KB)(869)    收藏
    机械故障迁移诊断运用已学习到的设备(源域)诊断知识解决相关设备(目标域)的诊断问题,可望克服大数据下标签数据稀缺、故障信息不全的智能诊断难题。为有效地跨域迁移故障诊断知识,使智能诊断模型能够在不同设备间迁移应用,现有研究要求目标域的数据标签空间相对源域的偏移较小,且两者相互对称,这在跨设备迁移诊断中难以满足,降低了智能诊断模型的迁移诊断精度。受“靶向治疗”基本原理启发,提出机械故障靶向迁移诊断方法。首先建立领域共享的深度卷积网络,将源域与目标域的数据映射到深层特征空间;然后设置目标域中极少量的标签数据为制导锚点,并根据制导锚点与源域数据的标签对应关系确定深层特征空间中的靶向区域;最后规划目标域数据向靶向区域移动的制导轨迹,进而基于最优传输理论适配深层特征的局部分布。通过不同设备之间的轴承故障迁移诊断试验对提出方法进行验证,结果表明:提出方法能够定向适配深层特征的局部分布,提高了智能诊断模型在不同设备间的轴承故障迁移诊断精度。
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    3. 螺纹连接松动机理和防松方法研究综述
    巩浩, 刘检华, 冯慧华
    机械工程学报    2022, 58 (10): 326-347,360.   DOI: 10.3901/JME.2022.10.326
    摘要776)      PDF(pc) (970KB)(1375)    收藏
    螺纹松动失效将导致螺纹连接失去原有的功能、降低机械产品性能,甚至在某些情况下诱发紧固件疲劳断裂,进而引发严重的安全事故。国内外学者针对螺纹连接的松动机理和防松方法展开大量的研究,为充分了解松动机理和防松方法的研究进展,推动相关问题的深入研究,在阐述螺纹连接松动内涵的基础上,提出将螺纹连接松动分为非旋转松动和旋转松动两个类型,并从非旋转松动和旋转松动两个方面对螺纹连接松动的相关研究进展进行综述;同时从传统防松结构和新型防松结构两个方面,对螺纹连接防松方法的相关研究进展进行综述。最后,对论文进行总结,并展望了螺纹连接松动机理和防松方法的未来研究方向。
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    4. 大型构件机器人原位加工中的测量方案概述
    何雨镐, 谢福贵, 刘辛军, 张旭
    机械工程学报    2022, 58 (14): 1-14.   DOI: 10.3901/JME.2022.14.001
    摘要762)      PDF(pc) (1142KB)(642)    收藏
    面向大型构件的加工方案中,以加工机床为代表的“包容式”加工模式和传统的“分体加工”模式已无法满足高柔性、高效率以及加工质量稳定性和一致性的要求。移动机器人具有轻量化、模块化、灵活性高等优点,为大型复杂构件的高效高精原位加工提供了一种有效的解决方案。移动机器人原位加工过程通常包含自主寻位、精确定位加工与加工质量原位检测三个阶段,将机器人通过自主寻位引导至待加工位置,并精确定位加工,在加工完成后进行原位检测以缩短生产周期。围绕上述过程,对大型构件机器人原位加工中基于视觉和基于激光的测量方案进行综述。在移动机器人的定位导航中,基于视觉和基于激光的测量系统分别因其成本低和数据密度大而得以应用;精确确定刀具与工件的相对位置中,双目视觉相关理论与应用都较成熟,激光跟踪仪也表现出应用潜力;零件表面质量的原位检测中,基于激光技术的检测系统检测效率、精度高,是该过程的理想选择。但现有测量方案仍面临诸多挑战,且单一测量方法难以满足多变的测量需求,随着人工智能理论的发展,多测量手段集成是大型构件机器人原位加工中测量方法的发展趋势。
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    5. 多功能软体机械手的设计与建模
    刘佳鹏, 王江北, 赵威, 费燕琼
    机械工程学报    2022, 58 (9): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2022.09.001
    摘要759)      PDF(pc) (830KB)(836)    收藏
    设计了一款新颖的多功能软体机械手,其由两个软体手指和一个软体手腕集成一体。软体手指由四个并联的双向弯曲气动软体驱动器组成;软体手腕主要由一个双轴双向弯曲气动软体驱动器构成,软体手指、软体手腕协同动作,可以实现软体机械手的多方位、多任务操作。根据软体机械手所需运动范围和抓取力确定了软体机械手的尺寸参数。基于欧拉-伯努利梁理论,建立了上述两个双向弯曲软体驱动器的欧拉梁弯曲模型和悬臂梁弯曲模型,获得了双向弯曲软体驱动器弯曲曲率、弯曲力矩和充气气压三者之间的解析表达式,以及双向弯曲软体驱动器受到载荷时的弯曲变形曲线,通过双向弯曲软体驱动器的自由弯曲试验和弯曲变形试验验证了上述模型的正确性。通过软体机械手的闭合抓取试验和张开提起试验说明了软体机械手的实用性。
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    6. 重大装备形性一体化数字孪生关键技术
    宋学官, 来孝楠, 何西旺, 杨亮亮, 孙伟, 郭东明
    机械工程学报    2022, 58 (10): 298-325.   DOI: 10.3901/JME.2022.10.298
    摘要738)      PDF(pc) (2094KB)(868)    收藏
    重大装备形态和性能的精准预测与分析是实现其智能化和自主创新的关键技术之一。数字孪生作为连接物理世界和数字世界的纽带,可用于在数字世界中建立物理实体材料选择、结构设计、加工制造和运维管理的全生命周期真实镜像。面向重大装备几何形态和结构力学性能,通过分析当前建立数字孪生的需求与难点,提出机理模型与实测数据联合驱动的"算测融合"解决方案;综合考虑孪生模型的时效性与准确性要求,构建重大装备"形性一体化"的数字孪生框架。详细论述当前构建重大装备数字孪生所面临的"算不了"、"算不准"、"算不快"、"测不了"、"测不全"和"测不准"六个具体问题,并给出相关解决方案和关键技术。通过典型案例验证了所提框架与关键技术的可行性与有效性,为数字孪生在重大装备中的落地应用提供了理论和技术参考。最后,探讨了重大装备数字孪生的未来发展趋势和所面临的进一步挑战。
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    7. 智能喷涂机器人关键技术研究现状及进展
    刘亚军, 訾斌, 王正雨, 游玮, 郑磊
    机械工程学报    2022, 58 (7): 53-74.   DOI: 10.3901/JME.2022.07.053
    摘要648)      PDF(pc) (1762KB)(1016)    收藏
    喷涂作为现代产品制造工艺中的一个重要环节,不仅起到美观、防护以及其他特殊作用,也日益成为产品价值的重要组成部分,在家具、航空航天、军工等领域中占据着重要地位。智能喷涂机器人是由计算机、传感、视觉、智能控制等多学科技术交叉综合而构成的复杂机电系统。智能喷涂机器人作为智能喷涂技术的核心,其发展与新材料、新设计和新方法的应用密不可分。针对智能喷涂机器人关键技术研究的共性问题,从喷涂机器人机构设计、喷涂系统动态性能监控、喷涂轨迹自动规划、喷涂质量检测方面综述了当前取得的研究成果;而后针对喷涂系统智能化进程中在机器人机构设计和柔性喷涂系统集成研究面临的挑战进行了分析和讨论;最后,对智能喷涂机器人关键技术研究方面未来的发展方向进行了展望和总结,为喷涂机器人发展方向与关键技术性能提升提供参考,推动喷涂技术全面进入智能化。
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    8. 数字孪生驱动的复杂产品智能运维服务体系与核心技术
    黄彬彬, 张映锋, 黄博, 任杉, 史丽春
    机械工程学报    2022, 58 (12): 250-260.   DOI: 10.3901/JME.2022.12.250
    摘要638)      PDF(pc) (730KB)(784)    收藏
    针对复杂产品运维过程虚实交互协作和智能管控难度大的问题,提出一种数字孪生驱动的复杂产品智能运维服务体系架构,详细阐述了其实现逻辑及核心技术,包括物理-虚拟空间形式化建模与交互协同、多源数据驱动的产品运维知识获取、虚实交互驱动的运行过程跟踪与监控、面向产品服务的实时诊断与主动维护等。通过上述体系架构和核心技术的实施,构建一种虚实空间交互融合、运维知识动态更新、运维服务主动执行的复杂产品运维管理与协作机制。最后,以某型数控机床为例,通过对体系架构的应用方式和运维关键性能指标的识别方法进行分析,验证体系架构、方法的有效性和可行性。所提体系架构和核心技术为复杂产品的智能化、协同化、服务化管理与应用提供一种参考解决方案。
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    9. 并联机器人逆动力学建模的几何代数方法
    徐灵敏, 叶伟, 李秦川
    机械工程学报    2022, 58 (7): 1-11.   DOI: 10.3901/JME.2022.07.001
    摘要583)      PDF(pc) (488KB)(627)    收藏
    逆动力学建模是并联机器人动力学性能评估和实际控制的基础。以几何代数为数学工具,提出并联机器人的解析逆动力学建模通用方法。根据几何代数的外积性质,可直接确定并联机器人中各分支的关节速度和加速度幅值,建立机器人驱动速度和被动速度之间的映射关系,并推导出并联机器人分支中各杆件的速度和加速度。结合虚功原理建立并联机器人的逆动力学模型,并确定驱动力/力矩的解析表达式。关节速度和加速度计算不需要判断几何关系、进行求导或求偏微分,并且整个计算过程中仅涉及加法和乘法,无需求解符号线性方程组,提高计算效率。以六自由度并联机器人6-UPS和三自由度并联机器人2PUR-PRU为例(U:虎克铰,P:移动副,S:球铰,R:转动副),得到在给定轨迹下两个机器人驱动力的理论结果,通过与ADAMS软件仿真结果对比验证所提方法的正确性。同时,通过与基于牛顿-欧拉方程的自然正交补法进行计算效率对比,证明该方法具有计算高效的优点,可替代ADAMS仿真和原先方法用于并联机器人逆动力学建模及分析。
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    10. 塑性成形快速数值仿真方法的研究进展
    詹梅, 董赟达, 翟卓蕾, 樊晓光, 石志鹏, 安强
    机械工程学报    2022, 58 (16): 2-20.   DOI: 10.3901/JME.2022.16.002
    摘要560)      PDF(pc) (743KB)(613)    收藏
    精确高效的数值仿真预测模型是塑性成形技术向数字化、智能化发展的关键技术之一。为实现大型复杂构件先进塑性成形工艺研究的实时化,形成了大规模离散模型精简/降维、求解器算法改进与高性能并行计算三种高效仿真方法,从降低模型规模、加速/省略仿真中的耗时流程与提升算法的设备使用效率三方面提速。围绕这三方面,综述网格密度动态控制方法与多种实用壳单元对模型规模缩减的策略,介绍机器学习、物质点法与虚拟元法等创新算法对仿真流程的优化,并讨论并行算法在同构与异构平台上的研究进展。通过对高效仿真方法研究现状的整理,评估了其在塑性成形数值仿真领域中应用前景,并展望了该领域未来可能的发展趋势。
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    11. 超声振动辅助磨削加工技术及装备研究的现状与展望
    丁文锋, 曹洋, 赵彪, 徐九华
    机械工程学报    2022, 58 (9): 244-269.   DOI: 10.3901/JME.2022.09.244
    摘要548)      PDF(pc) (1934KB)(618)    收藏
    超声振动辅助磨削加工技术通过在传统磨削加工基础上叠加高频微幅超声振动,可以减小磨削力,降低磨削温度,提高材料去除率,改善工件表面质量,在航空航天、高档机床、高速列车、能源动力等高端装备高效高品质制造方面具有显著优势和广阔应用前景。现阶段,国内外已经开展了众多超声振动辅助磨削加工技术及装备的研究工作,相关成果已在多种难加工材料关键部件加工中得到工程应用。在概述超声振动辅助磨削加工技术的基本原理、加工优势、主要分类和发展趋势的基础上,系统总结了国内外学者在超声振动辅助磨削装备及设计方法、材料去除机制和表面形成机制方面的研究成果,并对超声振动辅助磨削加工技术未来发展趋势和重要研究问题进行了展望。
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    12. 光纤传感在制造领域应用的分析与思考
    周祖德, 姚碧涛, 谭跃刚, 刘明尧, 李天梁, 魏勤
    机械工程学报    2022, 58 (8): 3-26.   DOI: 10.3901/JME.2022.08.003
    摘要541)      PDF(pc) (1785KB)(767)    收藏
    智能制造是制造领域的最新发展方向,它是一种由智能机器和人类专家共同组成的人机一体化智能系统,具备感知、决策、执行、学习、互联等特征,是先进制造技术、信息技术和人工智能技术的集成和深度融合,其中新型传感技术是实现智能的基础。新型传感技术为产品进化设计、制造工艺优化、产品质量和装备运行状态监测及装备预测性维护等提供可靠的数据来源,在智能制造中具有基础性的重要地位。回顾光纤传感这一新型传感技术局在离散制造、流程制造、重大和高端装备中的应用现状,分析光纤传感技术的特点和在制造领域的优势、光纤传感对推动智能制造的作用,以及光纤光栅传感技术和数字孪生的关系等。在此基础上,重点提出光纤传感技术在制造领域应用中存在的一系列科学问题以及光纤传感的应用原则,指出光纤传感技术将朝着标准化、智能化、网络化等方向发展,同时指出,在今后相当一段时间,光纤传感基础器件研究、面向极端制造环境和高端装备的应用研究以及精准化、微小型化、集成化和CPS融合等的研究乃是光纤传感技术在制造领域研究的主流。
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    13. 现代科技创新研究模式探讨
    刘辛军, 谢福贵, 杨迪, 解增辉, 孟齐志
    机械工程学报    2022, 58 (11): 1-10.   DOI: 10.3901/JME.2022.11.001
    摘要514)      PDF(pc) (672KB)(553)    收藏
    科技创新是人类社会生产力发展的源泉,是社会进步的重要动力,开展科技创新方法论研究并探索科技创新研究模式,对于推动科技进步具有重大意义。基于古典哲学思想和辩证唯物主义方法论,探讨一种以揭示规律、创造发明、改造世界为指导思想的科技创新研究模式,表现为“寻其道、谋其术、求其魂、索其变、用其精”的辩证统一过程。在该模式的指导下,围绕航空航天等重点领域大型复杂构件的高效高质量加工重大需求,开展了科技创新研究实践,研制了移动式混联机器人并应用于此类大型复杂构件的原位柔性加工中。实践结果表明,该科技创新研究模式遵循了辩证唯物主义思想,在科技创新实践中是有效的,可作为科技创新的一种模式。
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    14. 基于小样本数据驱动模型的橡胶材料机器人磨抛去除廓形预测方法
    李杰, 杨泽源, 时强胜, 匡民兴, 严思杰, 丁汉
    机械工程学报    2022, 58 (14): 15-24.   DOI: 10.3901/JME.2022.14.015
    摘要499)      PDF(pc) (776KB)(403)    收藏
    在机器人磨抛加工中,材料去除廓形的准确预测对提高加工形位精度、实现闭环控制具有重要意义。然而,飞机加筋壁板牺牲层等大型复杂构件采用的橡胶类材料具有高弹性与耐磨性,其磨抛后的材料去除廓形预测极具挑战。因此,提出一种基于整体趋势扩散技术与极端梯度提升算法(MTD-XGBoost)的橡胶材料机器人磨抛去除廓形预测方法。首先,分析橡胶材料磨抛去除机理,并确定影响其材料去除的独立因素。然后,提出基于三角隶属度函数的虚拟样本生成方法解决了样本稀缺、模型精度差等问题。进一步对样本数据进行了聚类去噪,并采用极端梯度提升算法建立材料去除廓形与打磨头进给速度、旋转速度、工具倾角、法向接触力以及磨粒粒度之间的非线性映射关系。最后进行了对比试验,结果表明所提虚拟样本生成方法有效解决小样本数据下的预测难题,最大预测误差降低30.3%。相比于支持向量机、贝叶斯回归等方法,所提预测方法在小样本下具有明显优势,并最终实现了平均相对误差小于10%的橡胶材料去除廓形预测。
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    15. 基于分层算子形态小波的轮对轴承复合故障检测
    李奕璠, 杨杰, 陈再刚, 易彩, 林建辉
    机械工程学报    2022, 58 (10): 1-11.   DOI: 10.3901/JME.2022.10.001
    摘要492)      PDF(pc) (1193KB)(396)    收藏
    形态学算子可以分为降噪型算子和特征提取型算子两大类。现有的形态非抽样小波方法在多层分解的每一层均使用相同的形态学算子,但反复使用某种降噪型或特征提取型算子有时很难准确获得信号的特征信息。为此,提出分层算子形态非抽样小波,每一层分解采用不同的形态学算子,通过对去噪型和特征提取型算子的有机融合,方法在故障特征提取方面具有更强的针对性、灵活性,同时也具有明确的物理意义和可解释性。针对轮对轴承复合故障的特点,提出一种局部特征幅值比原则,从不同分辨率对应的不同分析尺度的分析结果中,分别挑选出对不同类型故障最为敏感的分析尺度,进而实现复合故障中各故障的有效分离。在试验台采集轮对轴承复合故障振动信号,将提出的分层算子形态小波应用于实测数据的分析。研究结果表明,提出的方法能有效检测轮对轴承复合故障,与现有的形态非抽样小波方法相比,分层算子形态小波对复合故障的辨识能力更强。
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    16. 圆柱形钢制构件表面爬壁机器人姿态估计方法
    张文, 丁雨林, 陈咏华, 孙振国
    机械工程学报    2022, 58 (5): 1-7.   DOI: 10.3901/JME.2022.05.001
    摘要480)      PDF(pc) (1023KB)(454)    收藏
    针对相对封闭、磁干扰等特殊环境下传感器应用受限,导致爬壁机器人的姿态估计误差偏大的问题,提出并实现了一种基于惯性测量单元(IMU)和圆柱形状约束的爬壁机器人姿态估计方法(IMU-CC-ATE)。该方法利用爬壁机器人执行工作任务中运动状态和静止状态频繁切换的特点,使用静止状态时IMU的角速度输出值估计相邻运动状态时IMU的角速度漂移值;并结合圆柱形表面约束使机器人姿态估计的横滚角保持不变的特性,设计扩展卡尔曼滤波器(EKF)对机器人的姿态和IMU的角速度漂移进行实时估计。实验结果表明:该方法使爬壁机器人姿态估计的航向角误差从20°以上降低至3.5°,俯仰角误差保持在2°以内,横滚角误差在0.5°以内,有效地提高了机器人姿态估计精度。
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    17. 多机器人视觉同时定位与建图技术研究综述
    阴贺生, 裴硕, 徐磊, 黄博
    机械工程学报    2022, 58 (11): 11-36.   DOI: 10.3901/JME.2022.11.011
    摘要465)      PDF(pc) (1271KB)(388)    收藏
    同时定位与建图(Simultaneous localization and mapping, SLAM)技术是复杂、动态且GPS失效环境下多机器人系统(Multi-robot system, MRS)协同工作的基础和关键技术,对于提高机器人的自主化、智能化等具有重要意义。视觉传感器凭借其高分辨率、信息丰富、成本低廉等优点在SLAM中得到了广泛应用。首先简要回顾视觉SLAM理论基础,概括了多机器人视觉SLAM(Multi-robot visual SLAM, MR-VSLAM)的本质及优势,并基于该研究领域的应用需求总结归纳了当前MR-VSLAM技术存在的重点科学问题:如何进行视觉SLAM的全局关联,如何分配机器人资源执行SLAM驱动的协作建图策略,以及如何实现鲁棒的主动SLAM。其次,针对每个核心问题,对现有的解决方法进行了分类,提供了现有方法的全面综述,并讨论了其优缺点,分析了当前MR-VSLAM关键技术存在的问题。最后,基于上述分析总结展望了MR-VSLAM技术的热点问题及发展趋势。
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    18. 一种移动加工机器人的视觉定位方法
    付津昇, 丁雅斌, 刘海涛, 肖聚亮, 黄田
    机械工程学报    2022, 58 (14): 25-34.   DOI: 10.3901/JME.2022.14.025
    摘要444)      PDF(pc) (906KB)(384)    收藏
    针对移动机器人多站位加工需求,提出一种在加工现场仅需一次三维视觉测量便可确定移动机器人基坐标系相对工件坐标系位姿的方法。该方法首先利用激光跟踪仪和视觉传感器测量信息分别构造机器人基坐标系相对工件坐标系的齐次变换矩阵;然后以有限位形下后者相对前者偏差的二范数之和最小为目标,辨识机器人全关节运动误差的二次响应面系数。据此,在用视觉传感器获取工件坐标系相对视觉坐标系的位姿后,便可用二次响应面系数修正机器人基坐标系相对工件坐标系的位姿偏差,并通过一次在线视觉测量便可实现移动机器人的快速定位。以一台搭载在AGV上的混联加工机器人为例,通过试验验证了所提出方法的正确性和有效性。
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    19. 高速列车齿轮箱动应力分布特性研究
    杨广雪, 安钱钱, 李爽, 张子璠, 李广全, 李国顺, 陈璨
    机械工程学报    2022, 58 (10): 152-159.   DOI: 10.3901/JME.2022.10.152
    摘要439)      PDF(pc) (579KB)(503)    收藏
    通过在标准动车组齿轮箱关键部位布置应变传感器获得齿轮箱动应力时间历程曲线,结合GPS信号分析高、低速直线运行,牵引状态变化和转矩波动工况下齿轮箱动应力的变化规律。利用雨流计数法统计齿轮箱动应力幅值,并采用核密度估计函数和威布尔分布函数对其进行拟合分析。在此基础上提出组合分布函数来推断动应力最大值并编制动应力扩展谱,最后根据Miner线性累积损伤理论得到不同应力等级对齿轮箱疲劳损伤的贡献量。结果表明,列车运行速度、电机输出转矩对齿轮箱动应力幅值均有不同程度的影响;依据基于核密度函数和威布尔分布函数提出的组合分布函数,求解得到齿轮箱端部动应力最大值为25.43 MPa;根据采用组合分布概率密度函数编制的齿轮箱动应力扩展谱,得到齿轮箱端部在9~17 MPa的应力所产生的疲劳损伤比重约占全部损伤的71.3%,因此在齿轮箱疲劳损伤评估时应关注结构中作用频次高的应力幅值,避免齿轮箱结构的早期疲劳失效。
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    20. 蛇形机器人:仿生机理、结构驱动和建模控制
    张军豪, 陈英龙, 杨双喜, 王高贤, 杨昕宇, 弓永军
    机械工程学报    2022, 58 (7): 75-92.   DOI: 10.3901/JME.2022.07.075
    摘要433)      PDF(pc) (814KB)(469)    收藏
    蛇形机器人是一种能够模仿生物蛇运动的新型仿生机器人,由于它能像生物蛇一样实现“无肢运动”,因而被国际机器人业界称为“最富于现实感的机器人”。研究涉及材料学、仿生学、机械设计制造、传感技术等多学科交叉融合,在消防灭火、灾后救援、海底环境与管道探测、复杂环境作业、军事侦查等领域具有广阔应用前景,受到国内外学者及机构的广泛关注和研究。从蛇的生物特征、仿生原理、结构驱动、建模及控制等方面对蛇形机器人研究进行综述,按结构类型将蛇形机器人分为被动轮式、主动轮式、履带式、螺旋桨式和其他结构等;按驱动方式将蛇形机器人分为直流电机驱动、流体驱动、混合驱动和其他驱动等;以及目前常用于蛇形机器人的建模方法和控制策略。从中归纳和分析,得到蛇形机器人的关键研究问题包括材料升级、结构优化、柔性传感技术和自适应控制,其未来发展方向包括新型材料制备成型、高效结构设计加工、灵敏柔性传感技术、新型适合大变形的建模方法、自适应控制系统研发。
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    21. 移动并联加工机器人仿真研究
    张宾, 丁睿哲, 上官林建, 施进发
    机械工程学报    2022, 58 (14): 146-153.   DOI: 10.3901/JME.2022.14.146
    摘要418)      PDF(pc) (626KB)(260)    收藏
    不同于传统数控加工中工件依次装夹在机床上完成加工,在基于柔性加工的移动机器人加工中工件固定不动而各种加工机器人移向工件进行加工。针对这种新的加工范式提出一种由并联机器人、电主轴和全方位移动平台组成的自主移动机器人加工单元。首先利用SolidWorks搭建三维虚拟样机模型,并建立运动学正反解的理论模型,通过对比基于理论模型的Matlab仿真结果和基于虚拟样机的ADAMS仿真结果验证了虚拟样机的准确性,之后在ANSYS中基于虚拟样机进行了力学和模态仿真分析,发现所设计的加工单元薄弱部件为紧邻机器人上平台的虎克铰、电主轴刀柄和移动平台保险杠,为其结构优化提供了依据,同时所构建的虚拟样机为其数字孪生平台的搭建提供了基础。
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    22. 多传感器信息融合的加工过程状态监测研究
    滕洪钊, 邓朝晖, 吕黎曙, 谷倩微, 刘涛, 卓荣锦
    机械工程学报    2022, 58 (6): 26-41.   DOI: 10.3901/JME.2022.06.026
    摘要410)      PDF(pc) (748KB)(411)    收藏
    加工过程状态监测是实现加工状态智能监控的前提和基础。多传感器信息融合是集成多个传感器系统,采集表征加工状态的传感器信号,通过融合分析以预测或识别或诊断不同加工状态,提升被加工工件的表面质量、加工精度和加工效率。综合分析了多传感器信息融合的状态监测的原理及流程、应用多传感器信息融合的关键技术,综述了国内外研究学者应用多传感器信息融合对加工过程刀具状态(刀具磨损)、零件状态(表面粗糙度)、机床运行状态(故障状态)等目标状态进行监测的研究成果。最后归纳总结了目前多传感器信息融合应用在加工过程状态监测存在的问题,为加工过程数字化、网络化、智能化的研究工作提供坚实基础。
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    23. 轻量化自适应柔性踝关节康复机器人设计与评估
    尹帅, 石斌, 孙逸凡, 槐雅萍, 王晶
    机械工程学报    2022, 58 (9): 10-20.   DOI: 10.3901/JME.2022.09.010
    摘要401)      PDF(pc) (927KB)(323)    收藏
    针对脑卒中患者步行过程中踝关节背屈力不足而造成足下垂和踝关节跖屈力下降而造成站立末期推进力不足,进而导致步态不稳及容易摔倒等问题,设计一款新型柔性踝关节康复机器人。首先,鉴于刚性踝关节机器人增加了脑卒中患者新陈代谢及心理不适感,本研究采用功能性纺织物与鲍登线传输装置相互作用实现踝关节力辅助,轻质且隐蔽,同时,采用单电机双向驱动方式,减少了驱动模块的质量和体积,研制嵌入鞋套的拉力传感器,轻质且实现了辅助力实时检测。然后,为适用于不同体型的穿戴者,采用分级控制,上层控制包括步态运动意图识别及鲍登线轨迹生成算法,下层控制参照鲍登线轨迹实现踝关节跖屈与背屈辅助,提出了一种基于步态事件的鲍登线轨迹生成算法,实现了控制参数自适应调整,提高了系统鲁棒性。最后,搭建实验测试平台验证了机器人辅助效果,在机器人提供动力辅助时,踝关节站立末期跖屈角度与摆动期背屈角度均提高,站立末期地面推进力增加;相比之下,在机器人不提供动力辅助时,跖屈侧被动拉力在站立末期提供跖屈辅助,提高地面推进力。结果表明该柔性康复机器人具有增加站立末期地面推进力和改善摆动期离地间隙的作用,是一种前景良好的踝关节康复设备。
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    24. 基于人机共融的外骨骼机构构型综合及优选方法
    张立杰, 于金须, 闫建华, 杜义浩, 谢平, 李永泉
    机械工程学报    2022, 58 (11): 37-45.   DOI: 10.3901/JME.2022.11.037
    摘要396)      PDF(pc) (522KB)(325)    收藏
    针对当前穿戴式外骨骼机构设计缺少系统流程和具体方法,且较少考虑人机共融的问题,提出了基于人机共融的外骨骼机构构型综合及优选方法。在构型综合方面,根据人机共融中穿戴性要求,构建人体肌骨构型(Musculoskeletal configuration, MC),应用“最小闭链单元组合法”建立人机构型(Human-machine configuration, HMC);根据人机共融中运动灵活性要求,利用“二连杆单元插入法”提升HMC自由度并进行构型变换,结合邻接矩阵和“环路顺逆标注法”建立了构型综合的数学模型;在构型优选方面,根据人机共融中人机运动一致性要求,利用复用杆和复用因子指标优选出符合自由度要求的构型。选取食指为例,建立了食指HMC并综合出15种拓扑构型,优选出自由度为3、复用因子总数为4的构型,该构型满足穿戴式外骨骼机构设计中人机共融要求,验证了上述方法的有效性。
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    25. 齿轮三维误差表征与分解
    石照耀, 赵保亚, 于渤, 郭晓忠
    机械工程学报    2022, 58 (6): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2022.06.001
    摘要383)      PDF(pc) (630KB)(407)    收藏
    复杂曲面测量技术的发展使得快速获取齿轮齿面三维拓扑误差成为现实。为挖掘齿轮三维误差信息,实现齿轮精度的全面评价和测量结果的充分利用,齿轮三维误差的表征与分解成为了一个基础问题。在建立齿面法向偏差计算模型的基础上,将齿面法向偏差映射至齿轮啮合面坐标系,通过降维处理,实现齿面三维误差的二维化,以此构建基于Legendre正交多项式的齿面三维误差表征方法;建立Legendre多项式的展开系数与齿轮齿面各项特征误差之间的关系,实现齿面三维误差中各项特征误差的解耦;试验结果验证齿面三维误差Legendre多项式表征与分解的有效性,为齿轮三维测量大数据分析、齿轮精度全面评定、工艺误差溯源和齿轮性能预报提供理论依据。
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    26. 下肢康复机器人人机耦合动力学建模和主动柔顺控制
    卢浩, 王洪波, 冯永飞
    机械工程学报    2022, 58 (7): 32-43.   DOI: 10.3901/JME.2022.07.032
    摘要374)      PDF(pc) (891KB)(437)    收藏
    针对多关节下肢康复机器人非线性人机交互作用力影响训练过程中舒适度和安全性的问题,提出一种人机耦合动力学建模方法和主动柔顺控制策略。结合脑卒中发病初-中期康复训练特点和降低髋关节输出功率的要求,确定出坐卧式下肢康复机器人自由度配置、自平衡结构原理,并完成具体模型设计。基于简化的人体肌骨模型,考虑人机耦合方式,确定出人机交互作用力模型,进一步给出考虑自平衡结构影响的人机耦合动力学模型。引入环境刚度模拟患者踩踏在不同路面的接触力效果,利用动力学前馈进行关节期望力矩补偿控制,并通过李雅普诺夫定理判定控制系统的稳定性。通过实验验证了轨迹跟踪、力跟踪的准确性,进一步通过临床试验,92.2%的脑卒中患者病情得到缓解,验证了研究内容的可行性和安全性。
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    27. 考虑热流固耦合的角接触滚动轴承动力学特性及打滑状态分析
    高帅, 韩勤锴, 褚福磊
    机械工程学报    2022, 58 (9): 87-97.   DOI: 10.3901/JME.2022.09.087
    摘要368)      PDF(pc) (808KB)(306)    收藏
    轴承滚珠-滚道之间的打滑易使滚动体滚道划伤并导致明显的温升。为讨论打滑现象及其导致的问题,提出一种热流固耦合动力学模型。模型引入了轴承部件的热变形,打滑导致的温升,供油区的润滑油混合模型,保持架-引导圈之间的流体动压模型,以及作用在滚珠和保持架上的碰撞力和切向摩擦力,并考虑了保持架及滚珠的打滑程度、轴-轴承-轴承座组件的温升分布、热弹性变形等动静态参数的影响。通过对比7307AC轴承在一系列运行工况(运行速度,轴向载荷和润滑油量)下的打滑试验结果,验证了热流固耦合模型的准确性和有效性。结果表明,相同轴向预载时转速升高打滑程度显著加剧;最高温升及热变形也随之增加。乏油润滑下(0.4 L/min),保持架总体打滑率低于满油润滑(1.2 L/min),但轴承滚道的局部最大热变形达到滚珠-滚道径向游隙的4倍。基于润滑油混合模型发现,喷嘴水平对称布置相较于垂直布置冷却效果更好。
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    28. 仿生刀具研究进展综述
    马晶, 张明鉴, 刘强, 刘献礼, 岳彩旭, 杨绍成
    机械工程学报    2022, 58 (13): 261-281.   DOI: 10.3901/JME.2022.13.261
    摘要361)      PDF(pc) (1731KB)(253)    收藏
    伴随制造业的转型升级及产业革命的到来,零件结构越来越复杂,材料种类繁多,对刀具切削性能的需求日益呈现多元化趋势,刀具的设计与开发面临诸多挑战。学者们通过研究自然界的切削、减磨耐磨和增强增韧现象发现生物体的牙齿、爪趾、体表、器官等具有独特的外部形态及组织结构,通过模仿生物体的结构特征进行刀具的设计与开发已成为新的研究方向。分别从外部形态仿生刀具、表面形貌仿生刀具、内部组织仿生刀具对仿生刀具的最新研究进展进行梳理,讨论了三种刀具的设计制备方法和主要特点,对仿生刀具的切削机理进行分类与剖析,对仿生刀具所涉及的关键技术进行总结与展望,为仿生刀具研究提供基础材料。仿生刀具作为新兴的研究方向其基础理论尚不完善,需进行深入的理论研究,建立完整的理论体系。同时,仿生刀具涉及生物、材料、机械等多学科的交叉研究,需要开展不同领域间的协同合作。
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    29. 多机协作吊装机器人动力学分析与路径规划
    钱森, 钱鹏飞, 王春航, 周斌, 訾斌
    机械工程学报    2022, 58 (7): 20-31.   DOI: 10.3901/JME.2022.07.020
    摘要359)      PDF(pc) (1041KB)(518)    收藏
    随着工程任务日趋复杂艰巨,施工环境愈发恶劣,单台起重机已很难承担复杂的吊装任务,而多台起重机联合作业具有结构稳定、负载能力强、吊装空间大、布局灵活的优点,得到了广泛应用。以多机协作吊装机器人为研究对象,采用拉格朗日方法建立了多机协作吊装机器人的动力学模型;采用蚁群算法规划吊装路径,针对蚁群算法难以避免局部最优以及无解蚂蚁数量多等问题,提出三值法平面栅格环境建模、基于最佳-次佳路径长的信息素分阶更新策略和信息素挥发因子动态调整函数,仿真结果表明,改进蚁群算法相对于传统蚁群算法,明显提高了最佳路径长度、运算效率等指标。利用三值法进行吊装环境建模,进行协作作业仿真,验证了动力学分析和改进蚁群算法的合理性,对于提高多机协作吊装作业效率和可靠性具有一定的指导意义。
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    30. 基于多模型级联的双目视觉铸件缺陷检测方法
    张仕军, 金振林
    机械工程学报    2022, 58 (5): 34-43.   DOI: 10.3901/JME.2022.05.34
    摘要357)      PDF(pc) (4623KB)(263)    收藏
    为了解决铸件表面缺陷检测以及缺陷位置的三维定位问题,采用双目视觉系统获得图像,依靠三角测量法获得点云数据,基于正态分布变换配准方法实现工件的三维定位。通过多模型级联解决少样本和样本比例失衡情况下的表面缺陷检测,结合无监督模型的编码解码方式,依靠正样本训练获得对缺陷图像进行修复的网络模型,将修复后的图像与原始图像进行差异分析获得缺陷位置;使用MASK-RCNN模型进行监督模型训练,获得一体化检测分割模型,直接定位缺陷位置及类别。此外还将运动机构的物理坐标系、双目成像的工件坐标系以及平面图像的坐标进行换算,得到多个坐标系的转换关系,实现了平面缺陷的位置信息映射到三维工件的空间中。实验表明提出的双目视觉系统在工件成像以及检测方面具有良好的效果。
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    31. 全地形移动机器人悬架机构设计及特性分析
    汪步云, 彭稳, 梁艺, 程军, 胡汉春, 许德章
    机械工程学报    2022, 58 (9): 71-86.   DOI: 10.3901/JME.2022.09.071
    摘要351)      PDF(pc) (932KB)(350)    收藏
    针对全地形移动机器人多地形行走需要,满足其路面的通过性与减振需求,设计了一种双叉臂悬架减振机构,建立了基于动力学参数分析的数学模型;通过ADMAS-Simulink联合仿真,分析了多路面谱函数激励下移动机器人悬架机构的振动情况,优化了所选取的阻尼器阻尼比、刚度参数和摆臂角等悬架特性参数,确定了悬架特性参数和驱动力矩等主要设计参数范围;进一步地,开展了户外多地形行走试验,包括鹅卵石、青石板、土壤、草地等较为代表性路面,对比了两种阻尼器参数测试,结果表明,所设计的悬架机构及特性参数优化,显著改善了减振效果和越障性能,提升了车轮驱动力矩转化输出为牵引力的效果,验证了悬架减振机构动力学建模描述与仿真分析的正确性,有效改善了全地形移动机器人路面适应性、通过性和行走稳定性。
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    32. 具有光滑-直行功能的Q-Learning路径优化算法
    段书用, 章霖鑫, 韩旭, 刘桂荣
    机械工程学报    2022, 58 (11): 72-87.   DOI: 10.3901/JME.2022.11.072
    摘要350)      PDF(pc) (1425KB)(291)    收藏
    移动机器人作业路径的合理规划是其安全高效完成作业任务的关键。现有的路径规划算法大部分是基于已知全局环境信息后,再进行路径规划。因此,针对移动机器人在静态未知环境中的路径规划问题,提出了一种具有光滑-直行功能的Q-Learning (SSQL)算法并将其用于移动机器人的路径规划中。该算法在提高Agent学习效率的同时可确保路径为光滑连续的最短曲线,以改善其行走动力学性能及效率。SSQL算法包括三个主要新方案:首先,基于Q-Learning算法对未知环境进行预探索,在Agent首次找到目标点后,依据预探索信息,构建虚拟矩形环境,并在其内部增加引导Q值,以提高Agent学习效率。同时,将Agent找到的路径进行跳点优化,以达到消除冗余路径、减少路径转折点和缩短路径长度的目的。进而,在路径转折位置采用贝塞尔曲线进行路径平滑处理,并使最终路径能满足移动机器人动力学约束。将该算法与Q-Learning算法在不同环境下进行对比试验,研究结果表明,SSQL路径规划算法对大型未知环境的探索表现出优异的优化效果,具有收敛速度快,规划的路径短、转折点少等优点,且能确保移动机器人沿规划路径作业的平滑性和安全性。
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    33. 相同叶栅稠密度下叶片数对复合式叶轮内流场的影响
    宁超, 袁寿其, 李亚林, 徐慧, 郑峰
    机械工程学报    2022, 58 (14): 320-327.   DOI: 10.3901/JME.2022.14.320
    摘要340)      PDF(pc) (846KB)(67)    收藏
    由于复合式叶轮的复杂结构,叶轮中会产生间隙涡、轴向旋涡等涡结构,这些涡会严重影响流体机械的内流场及外特性。为了揭示叶片数对新型开放式水泵水力性能及内部流场的影响,采用k-ε湍流模型,对相同叶栅稠密度下四种不同的叶片数方案进行了数值模拟,研究了各方案叶轮的内流特征,结果表明蜗壳的双隔舌设计对叶轮流道内的流场产生影响,叶轮内流动呈现交替变化的规律,叶轮进口和出口受到较高的湍流作用而中心处涡强度相对较低。随着叶片数的增大,复合式叶片的水力性能升高,叶轮内压力减小但涡量明显增大,涡的强度也随之增大。通过Q准则对涡结构的识别,分析了不同截面处涡团的分布,结果表明叶片尾缘脱落涡与二次流相互作用在叶轮吸力面产生大量的涡结构。叶顶间隙的泄漏涡从叶片背面向流道中间发展,随着流动的发展,涡的范围变大,形状也发生改变。研究结果为复合式叶轮叶片数的选取提供了理论依据。
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    34. “高性能塑性成形制造”特邀专栏序言
    中国机械工程学会塑性工程分会青年工作委员会
    机械工程学报    2022, 58 (16): 1-1.   DOI: 10.3901/JME.2022.16.001
    摘要339)      PDF(pc) (170KB)(411)    收藏
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    35. 新能源汽车动力电池“过充电-热失控”安全防控技术研究综述
    周洋捷, 王震坡, 洪吉超, 曲昌辉, 山彤欣, 张景涵, 侯岩凯
    机械工程学报    2022, 58 (10): 112-135.   DOI: 10.3901/JME.2022.10.112
    摘要339)      PDF(pc) (1044KB)(263)    收藏
    锂离子动力电池具有高能量密度、低放电率和长寿命等优点,是新能源汽车的核心部件之一。概述新能源汽车动力电池"过充电-热失控"内外机理和外部特征,并提出过充热失控防控技术新思路。介绍触发动力电池过充热失控的内外部因素及产热、释气等主要外部表征,总结不同触发条件下过充热失控反应机理及特征阶段划分,阐述了当前针对动力电池"过充电-热失控"研究常用的电化学和热力学建模方法;重点归纳了当前动力电池防控过充热失控的常用技术手段及优缺点。基于新能源汽车大数据平台和实车运行数据,提出动力电池过充热失控"六步分析法",为未来面向实车安全运行的动力电池过充热失控防控新技术研究提供了思路,填补了本领域缺少中文综述的空白。
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    36. 基于光纤传感的极端环境下装备制造与运行状态监测技术现状与发展
    李天梁, 郭金秀, 吴冬健, 谭跃刚, 周祖德
    机械工程学报    2022, 58 (8): 27-53.   DOI: 10.3901/JME.2022.08.027
    摘要338)      PDF(pc) (1914KB)(510)    收藏
    大型制造装备的安全运行关乎国民经济发展和国防建设,先进传感技术是实现超高/低温、超高压、强辐射、强磁场等极端环境下制造装备性能精准评估及其状态动态监测的重要支撑技术。光纤传感器凭借体积小、耐高温、抗腐蚀、抗电磁干扰、防爆、无源传感、易于实现多点分布式测量等优势,成为了极端环境下装备制造与运行状态监测的一项重要利器。围绕极端环境下基于极端参量光纤传感的装备制造与运行状态监测技术,归纳并总结极端参量光纤传感器的设计、制备、标定、误差补偿与应用的发展现状。介绍极端参量光纤传感器能量变换体设计方法与光纤信号调制机理,阐述光纤传感器零件的制造方法与封装工艺,并归纳光纤传感器标定校准技术与误差补偿方法。总结概述极端参量光纤传感监测技术在装备制造与运行状态监测方面的研究成果。探讨极端参量光纤传感技术的未来发展方向,并对全文进行总结。
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    37. 一种多自由度康复外骨骼机械臂的虚拟分解控制
    程杨, 潘尚峰
    机械工程学报    2022, 58 (9): 21-30.   DOI: 10.3901/JME.2022.09.021
    摘要334)      PDF(pc) (878KB)(278)    收藏
    为满足脑卒中患者康复训练的需求,康复外骨骼机械臂需要具有多个自由度。项目采用的康复外骨骼机械臂具有5个自由度,排除运动相对独立的腕关节,仍需要对机械臂剩余4自由度进行高精度控制,从而保证患者康复的安全性、舒适性及康复的有效性。多自由度串联机械臂具有高度的非线性,增加了其建模控制的复杂程度。利用虚拟分解控制理论,将复杂系统分解为几个简单的子系统进行分析及控制,再将所有子系统控制器组建成系统虚拟分解控制器,降低其动力学建模复杂程度,大大控制减少计算量,便于提高系统响应性。采用Simulink与ADAMS对机械臂进行联合控制仿真及实物试验,与采用固定重力补偿的PID控制方法进行了对比。结果表明,对于高度非线性系统,虚拟分解理论的控制效果比PID方法好。
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    38. 机器人铣削加工误差视觉跟踪测量与补偿研究
    邸红采, 彭芳瑜, 唐小卫, 闫蓉
    机械工程学报    2022, 58 (14): 35-43.   DOI: 10.3901/JME.2022.14.035
    摘要332)      PDF(pc) (561KB)(288)    收藏
    机器人铣削加工是大型复杂构件的重要加工手段,然而由于机器人本体结构特点及零部件制造、安装等误差,使其在大行程运动过程中轨迹绝对精度较低,严重制约机器人铣削加工的应用工况。现有机器人精度的传感测量控制方法主要集中在基于视觉的定位误差预测和激光跟踪仪的轨迹误差测量等,前者难以考虑铣削轨迹误差,后者操作复杂且设备极其昂贵。为此,提出一种利用双目视觉系统跟踪测量的机器人铣削加工刀具端位置误差计算和加工误差补偿方法,实现机器人铣削加工误差的高效准确预测和补偿。其中通过训练粒子群算法(Particle swarm optimization,PSO)优化的BP神经网络建立了位姿相关的机器人加工刀具TCP位置误差预测模型,基于弦截法建立了位置误差迭代模型,制定了轨迹误差的综合补偿策略。试验结果表明机器人铣削加工最大切深误差从1.354 mm降低到0.244 mm,为机器人铣削加工工况扩展提供了理论和技术基础。
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    39. 基于迁移学习的手部离散动作识别方法研究
    王文东, 李杰, 张俊博, 秦雷, 袁小庆
    机械工程学报    2022, 58 (7): 12-19.   DOI: 10.3901/JME.2022.07.012
    摘要330)      PDF(pc) (425KB)(277)    收藏
    表面肌电传感器作为新一代机器人人机交互接口设备,目前已在航空航天、军工应用、康复医疗、工业生产等多种环境中表现出巨大的应用潜力和价值。研究发现,表面肌电信号在识别手势动作时,若面临传感器移位、动作用户变化等问题,动作识别准确率将急剧下降,模型可复用能力变差。针对这一情况,提出一种基于小型辅助集的迁移学习建模方法。利用MMD算法对源领域数据集与目标领域数据集的高维距离进行评价,通过TCA算法缩小二者在全局特征上的边缘分布差异,引入小型辅助集对待测数据集创建伪标签,改进了迁移成分分析在数据条件分布相似性上的不足。以多名受试者作为研究对象,验证提出算法的适应性和合理性。肌电控制实验表明,新场景下受试者仅需进行小量训练(仅占源领域数据4%),迁移学习融合模型准确率可提高至80%以上。
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    40. 基于多尺度注意力深度强化学习网络的行星齿轮箱智能诊断方法
    王辉, 徐佳文, 严如强
    机械工程学报    2022, 58 (11): 133-142.   DOI: 10.3901/JME.2022.11.133
    摘要326)      PDF(pc) (681KB)(267)    收藏
    针对行星齿轮箱在多工况下故障表征具有差异性,现有方法中存在特征提取不足,且泛化性和诊断准确率低的问题,提出一种基于多尺度深度注意Q网络(Multiscale deep attention Q network,MSDAQN)的深度强化学习行星齿轮箱多工况智能诊断方法。首先定义分类马尔科夫决策过程描述诊断过程,建立故障诊断模拟环境;其次构造MSDAQN深度强化学习智能体结构,其通过多尺度卷积神经网络提取多尺度故障特征,并利用自适应通道注意力进行加权融合、突出关键信息;最后依据所建智能体与诊断模拟环境交互的经验,自主学习最佳诊断策略。通过行星齿轮箱的多工况试验和实际案例的测试与分析,表明所提方法具有更高的诊断准确率和较强的工况适应性。
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