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  • ISSN:0577-6686

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    1. 多臂协作机器人技术与应用现状及发展趋势
    吴其林, 赵韩, 陈晓飞, 赵雅婷
    机械工程学报    2023, 59 (15): 1-16.   DOI: 10.3901/JME.2023.15.001
    摘要999)      PDF(pc) (1421KB)(1105)    收藏
    随着劳动力紧缺及人力成本的不断升高,需要使用机器人的领域越来越多,数量也越来越大。就许多应用场景而言,任务复杂多变、应用环境和条件限制也各有不同,单臂协作机器人已不能满足要求,多臂协作机器人系统便应运而生,且已成为未来发展的重要领域。因为发展的时间较短,还需要研发人员做大量的工作。对多臂协作机器人的技术与应用现状进行了较为系统的梳理归纳,从影响较大的几个方面,即多臂协作机器人的应用、机构与轻量化设计、动力学与控制、协同技术、人工智能技术进行了综述。在此基础上,根据人工智能、控制等领域的新发展,提出了多臂协作机器人今后应该加强研究和发展的6个方向,如应用场景向深度人机协同方向发展、结构及零部件更注重高速、高精度和高功重比、在动力学方面将更加重视平顺性设计、协调式协作机器人系统需朝着分层多元化发展、控制将更加趋于自适应柔顺控制和自主决策、交互趋于多信息融合的多维安全保护与自然交互。
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    2. 人工自愈赋能机器自主健康
    高金吉
    机械工程学报    2023, 59 (18): 1-2.   DOI: 10.3901/JME.2023.18.001
    摘要748)      PDF(pc) (132KB)(575)    收藏
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    3. 数字工程及十个领域应用展望
    陶飞, 张辰源, 刘蔚然, 张贺, 马昕, 高鹏飞, 张建康
    机械工程学报    2023, 59 (13): 193-215.   DOI: 10.3901/JME.2023.13.193
    摘要661)      PDF(pc) (2114KB)(877)    收藏
    依赖物理手段规划、研究、设计、制造、试验和使用产品或系统,通常存在研制周期长、运营成本高、响应不及时、智能程度低、体系优化难等问题,数字工程为解决上述问题提供了新的思路和途径。通过总结近20多年数智化实践和分析未来发展趋势,从物理空间出发,提出基于“信息空间”提速增效、基于“数字空间”仿真分析、基于“数实空间”虚实交互、基于“数智空间”智能决策、基于“数智生态”体系优化的数字工程演进历程和五等级成熟度模型。在数字工程范畴下,定义了“数力”和“智力”,以及由“控全局、破孤岛、聚能力、跨时空、强智能、深协同”组成的数字工程“能力”,进而提出通过开发“数力”,运用“智力”,进而提升体系化解决问题和满足需求“能力”的数字工程新理解与系统思考。分析了NewIT时代下数字工程的六大需求与挑战。设计提出以“智能中枢”为核心,以“物理线程、模型线程、数据线程、服务线程”四线程为主线的数字工程体系架构,并阐述支撑数字工程的八类关键技术。最后结合团队科研实践,基于所提架构和技术,面向海陆空天复杂产品与装备研制,以及城市、医疗、能源等复杂系统工程重大需求,对核电厂数字工程、航空发动机数字工程、卫星互联网数字工程、海洋系统及海洋装备数字工程、风洞数字工程、未来战场数字工程、城市数字工程、高档数控机床数字工程、能源数字工程、车辆数字工程等重大领域进行应用探索。期望相关工作为复杂产品或系统全生命周期科学组织、智能管控和体系优化,以及为数字中国建设与数字经济发展提供参考。
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    4. 复杂工况条件下多头注意力双向长短时记忆网络的风电机组缺失数据修复方法研究
    余晓霞, 汤宝平, 王伟影, 吴宣勇, 李彪
    机械工程学报    2023, 59 (14): 1-9.   DOI: 10.3901/JME.2023.14.001
    摘要603)      PDF(pc) (1048KB)(616)    收藏
    针对变速变载条件下风电机组监测参量中包含大量缺失数据导致基于深度学习的状态监测模型预警精度低的难题,提出一种多头注意力双向长短时记忆网络缺失数据修复方法(Multi-headed attention bidirectional long and short term memory network, MA-BiLSTM)。所提方法利用多头注意力机制抑制复杂工况条件下变速变载对神经网络特征提取时的干扰,采用跨层连接残差单元增加模型的特征提取能力,充分学习已有监测数据的隐藏特征以及多源参量间的关联关系;采用双向长短时记忆网络同时对风电机组监测数据的复杂变化规律进行学习,实现监测参量中缺失数据的预测修复。实例应用结果表明所提多头注意力双向长短时记忆网络能够抑制复杂工况条件下的变速变载干扰,实现单变量或多变量中缺失数据的预测修复,有效提升风电机组状态监测精度。
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    5. 工业机器人定位误差补偿技术研究进展
    刘伟, 刘顺, 邓朝晖, 葛吉民
    机械工程学报    2023, 59 (17): 1-16.   DOI: 10.3901/JME.2023.17.001
    摘要593)      PDF(pc) (803KB)(563)    收藏
    工业机器人在推进工业自动化、柔性化、智能化发展道路上起着举足轻重的作用。机器人定位误差是制约其在生产制造领域应用的关键因素之一,定位误差的大小直接决定其制造所得产品的质量和精度,而机器人误差补偿技术对提高机器人的定位精度具有重要意义。以工业机器人定位误差测量-预测-补偿为线索,详细综述了国内外学者在开环测量和闭环测量技术、基于模型的误差预测和基于非模型的误差预测方法、在线补偿和离线补偿技术的研究进展。最后,对该领域的发展趋势进行了展望,以期对工业机器人定位误差补偿研究提供一定参考。
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    6. 航空功能涂层表界面完整性参数超声检测反演原理及其应用
    林莉, 马志远, 孙珞茗, 罗忠兵, 雷明凯
    机械工程学报    2023, 59 (8): 1-8.   DOI: 10.3901/JME.2023.08.001
    摘要551)      PDF(pc) (33638KB)(660)    收藏
    热障涂层、吸波涂层等航空功能涂层缺陷、几何、结构、性能等表界面完整性参数的精准控制,对于兼顾、平衡其综合性能至关重要。提出航空功能涂层表界面完整性多参数的超声检测反演原理。原理基于超声波在涂层多界面结构中的作用机制,将模型正则化、数据正则化与灵敏度矩阵分析相结合,提出面向材料的特征检测信号正则化策略,并依据特征检测信号与表界面完整性多参数的相关性,发展了基于灵敏度矩阵(Sensitivity matrix, SM)的涂层表界面完整性多参数超声反演方法。以等离子体喷涂Al2O3涂层多个弹性常数的超声检测为例,阐述超声检测原理的实施效果。结果表明Al2O3涂层弹性常数C11、C13、C33、C44的反演结果分别为158.9 GPa、44.1 GPa、244.1 GPa、31.6 GPa,其中C44的反演结果与试验结果之间相对误差不超过4.5%。所提出的超声检测反演原理为基于传统“试错法”超声检测难以解决的多参数复杂无损检测问题提供有效解决途径。
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    7. 基于深度学习的产品概念草图生成设计研究
    李雄, 苏建宁, 张志鹏
    机械工程学报    2023, 59 (11): 16-30.   DOI: 10.3901/JME.2023.11.016
    摘要539)      PDF(pc) (1750KB)(386)    收藏
    概念草图设计作为人类的高阶视觉认知活动,是辅助设计师记录、构思、创造和评估想法的重要手段,对生成创新概念具有积极影响。为模拟设计师的这种高阶视觉认知行为,实现智能化辅助创意草图设计,提出一种基于深度学习的产品概念草图智能生成设计集成方法框架,包括端到端的草图设计GAN(Sketch2Render-GAN)和草图神经风格迁移网络(Sketch-NST)两个核心模块。前者实现概念草图生成与渲染,后者执行草图风格特征变换。分别以手电钻和自行车头盔为实验对象进行了验证,结果表明该方法框架可快速获得大量具有创新概念的草图,并实现草图自动渲染及风格变换。有助于辅助设计师在视觉认知层面突破设计固化,提高设计效率。此外,为改善工业设计师与AI模型间的人机设计协作模式,还开发了智能草图设计生成器(S-SDG_v0.1),从而有效降低设计师应用智能算法辅助设计的门槛。
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    8. 智能产品交互设计研究现状与进展
    罗仕鉴, 龚何波, 林伟
    机械工程学报    2023, 59 (11): 1-15.   DOI: 10.3901/JME.2023.11.001
    摘要514)      PDF(pc) (420KB)(700)    收藏
    人工智能与通讯技术的蓬勃发展促进了智能产品的进步,加速了产品设计的变革。从工业设计出发,通过对国内外相关文献研究,讨论了智能产品和智能产品交互设计的相关概念,提出了智能产品交互设计的本体层、行为层和价值层三个层次模型,系统地探讨了设计大数据、需求驱动与知识驱动的设计、产品设计方案生成与衍化、产品设计标准生成、产品设计方案评价生成等五个方面的研究内容与体系结构,以及关键技术和存在的问题,阐述了智能产品交互设计中的主要方法。针对智能产品交互设计的发展,提出了智能产品交互设计的研究热点和未来趋势。
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    9. 面向航空发动机复杂机匣深腔测量的机器人位姿优化及关节路径平滑方法
    漆琪, 杨吉祥, 丁汉
    机械工程学报    2023, 59 (15): 17-27.   DOI: 10.3901/JME.2023.15.017
    摘要491)      PDF(pc) (869KB)(508)    收藏
    航空发动机机匣铸造件内腔余量分布不均且结构复杂,为实现机匣内腔余量的准确去除,须对机匣内腔轮廓进行精准测量。采用工业机器人夹持激光位移传感器,可充分发挥机器人灵巧运动的特点,实现复杂腔体的测量。但现有机器人加工刀具路径生成方法大多针对铣削、磨抛加工,主要关心路径的可达性,而未考虑非接触式测量中的夹角约束和路径平滑,直接应用于机器人测量导致测量角度无法满足要求、传感器振动大等问题。提出了一种面向机器人测量位姿优化及运动光顺的无干涉路径规划方法。首先,基于距离的干涉检测构建测量路径点的无碰撞区域,建立以机器人关节加速度为性能指标,考虑激光束出射方向与曲面法向夹角、机器人关节限位的优化函数,将姿态控制求解转变为优化函数的求解,采用分段差分进化算法进行求解。对测试路径进行实验并与基于图形的方法进行对比,结果表明,所提出的路径规划算法可有效约束测量方向与曲面法向之间的夹角,且与基于图形搜索的方法相比,可以生成更平滑的机器人关节路径,运行时间缩短50.3%,xyz方向的末端瞬时加速度分别减小15.83%、30.45%、41.72%。
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    10. 微小型仿蝗虫机器人设计及其无翻转跳跃运动实现
    许毅, 张雨来, 斯云昊, 李昌, 黄强, 石青
    机械工程学报    2023, 59 (9): 1-11.   DOI: 10.3901/JME.2023.09.001
    摘要473)      PDF(pc) (804KB)(539)    收藏
    以跳跃类昆虫为仿生对象,研制出一种微小型仿蝗虫机器人,可实现微小尺度下无翻转跳跃运动。通过分析蝗虫后胸跳跃足的骨骼肌肉模型,设计了基于斯蒂芬森六杆机构的仿生跳跃足结构;根据运动学优化六杆参数,解决了跳跃足末端轨迹的非线性和能量储存受限的问题;利用蝗虫蓄力时海特勒肿块与肌腱锁死实现能量锁存的工作机制,设计了基于棘轮-棘爪机构的锁能与释放装置,实现了机器人蓄力时能量的持续累积锁定,及起跳时的能量瞬时释放;利用动力学分析解算出机器人起跳阶段冲量矩和速度波动角的变化,从理论上验证了本机器人可实现无翻转跳跃的运动特性。最后,通过物理样机实验验证,表明设定胫节与地面夹角75°时,可实现机器人的无翻转、高爆发跳跃,即保持与起跳时一致的空中姿态且跳跃最大高度可达5倍体高。
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    11. 刚柔复合驱动并联喷涂机器人机构设计与工作空间分析
    赵嘉浩, 訾斌, 王威, 李元, 徐锋
    机械工程学报    2023, 59 (15): 28-39.   DOI: 10.3901/JME.2023.15.028
    摘要433)      PDF(pc) (954KB)(510)    收藏
    大型装备空间尺度大,表面形状复杂,其表面自动化喷涂作业受到多因素限制。面向大型装备的表面喷涂作业,设计了一种由柔索及电动推杆复合驱动的并联喷涂机器人,其主要由双平台复合式末端执行器、柔索驱动模组及机器人整体框架等组成,具备工作空间大、末端灵活度较高的特点,并基于驱动索的锚接形式变化提出了不同构型。其次,分析并联喷涂机器人运动学及静力学,计算不同构型下并联喷涂机器人零姿态力封闭可行空间及力螺旋可行空间,并基于张力限制条件对并联喷涂机器人的定位置姿态空间及全局姿态空间进行了分析,考虑工作空间体积与姿态空间体积比等性能指标并综合实际工况展开构型选取。最后,搭建并联喷涂机器人实验平台,面向预设喷涂对象开展运动实验,结果验证了机构的合理性,表明该并联喷涂机器人具备较大尺度下的多姿态灵活作业能力。
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    12. 大型构件自动化柔性对接装配技术综述
    赵欢, 葛东升, 罗来臻, 尹业灿, 丁汉
    机械工程学报    2023, 59 (14): 277-297.   DOI: 10.3901/JME.2023.14.277
    摘要432)      PDF(pc) (1201KB)(680)    收藏
    大型构件对接装配是航空航天大型飞行器总装中的重要环节,随着具有快速响应需求的航天任务越来越多(如发射应急卫星和商业通信卫星等),亟需提升运载火箭等大型飞行器的快速组装和发射能力。这对大型飞行器舱段对接装配的效率和可靠性提出了更高要求。因此,对接装配模式从原来的人工模式,正逐渐向自动化、数字化、智能化方向发展。针对大型构件自动化柔性对接装配中所涉及的三大关键技术进行综述,详细总结大型构件对接装配调姿定位机构、数字化测量技术、规划与控制技术的原理、特点与应用,并探讨了大型构件自动化柔性对接装配技术的未来研究方向。
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    13. 半导体基片超精密磨削技术的研究现状与发展趋势
    郭东明, 康仁科
    机械工程学报    2023, 59 (19): 299-329.   DOI: 10.3901/JME.2023.19.299
    摘要418)      PDF(pc) (2392KB)(470)    收藏
    单晶硅、碳化硅、氧化镓、氮化镓等半导体基片广泛应用于集成电路、功率器件和微传感器等半导体器件的制造。超精密磨削是半导体基片平整化加工和背面减薄加工的核心工艺技术,对半导体器件的加工效率及加工质量具有重要的影响。为了满足半导体器件的使用性能,半导体材料的种类逐渐增多,半导体基片的加工要求不断提高,对半导体基片超精密磨削技术不断提出新的挑战。为了实现半导体基片的高效率高质量磨削加工,需要对半导体基片超精密磨削理论、工艺、工具和装备全面深入的理解。围绕半导体基片超精密磨削加工的表面材料去除机理、表面质量及控制方法、高效低损伤磨削工艺和超精密磨削装备的国内外研究现状进行了系统的论述与总结,分析了目前半导体基片超精密磨削技术面临的难题及未来的发展趋势,为后续半导体基片超精密磨削技术的研究提供指导。
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    14. 载运工具高性能薄壁承载结构成形及连接工艺研究进展
    林忠钦, 马运五, 夏裕俊, 李永丰, 李淑慧, 李永兵
    机械工程学报    2023, 59 (20): 1-17.   DOI: 10.3901/JME.2023.20.001
    摘要395)      PDF(pc) (1713KB)(447)    收藏
    飞机、运载火箭、高速列车、汽车等载运工具的承载结构普遍采用轻质高强薄壁结构,成形工艺需要满足最终构件的高强度、形状尺寸精度以及低成本短流程等要求;同时,运载工具薄壁承载结构越来越多地采用多材料、多结构混用以提升轻量化效果和设计灵活性,这对焊接与连接工艺带来巨大挑战。针对轻质高强板材热冲压技术以及薄壁构件铆接和电阻点焊技术的研究进展进行综述,系统分析新材料、新结构对成形和连接工艺带来的技术变革,并指出其面临的技术挑战和未来的发展方向,旨在对轻质高强薄壁构件的制造提供指导和借鉴。
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    15. 绳驱7自由度仿人机械臂设计及其刚度建模与性能分析
    吴志伟, 王博文, 闫磊, 徐文福
    机械工程学报    2023, 59 (17): 17-32.   DOI: 10.3901/JME.2023.17.017
    摘要378)      PDF(pc) (1467KB)(412)    收藏
    针对传统绳驱机械臂刚度小、末端精度低等问题,研制了一种同时具有轻质量、低惯量和高刚度、高精度特点的绳驱7自由度仿人机械臂系统。采用模块式思想,将整个机械臂分为肩部、肘部、腕部三部分,分别设计了基于闭环绳索驱动的单自由度肘关节和3自由度肩、腕部关节,在运动副上配置编码器用于检测关节位置,有效提升了关节控制精度。建立了“驱动空间-关节空间-任务空间”多重运动学模型,分析了肘部拮抗关节和腕部耦合关节的运动规律,简化了运动传递关系、提高了传动精度和效率。推导了机械臂关节的等效刚度表达式,分析了不同关节角下的刚度特性。最后,针对所研制的绳驱7自由度仿人机械臂开展了样机的关节刚度测试、末端精度测试、负载测试等性能测试。实验结果表明,设计的绳驱机械臂具有运动灵活、定位精度和刚度高等特点。
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    16. 下肢康复外骨骼的步态交互设计研究进展
    高一聪, 王彦坤, 郑浩, 魏喆, 谭建荣
    机械工程学报    2023, 59 (17): 175-188.   DOI: 10.3901/JME.2023.17.175
    摘要371)      PDF(pc) (663KB)(262)    收藏
    中国正向深度老龄化社会高速迈进,脑卒中等老年性疾病人群逐年增多,开展面向助老适老的智能产品研究具有广阔的应用前景与重要的学术价值。下肢康复外骨骼是一种与穿戴者肢体交互并为其提供相应运动辅助和训练的人机交互共融智能产品。利用下肢康复外骨骼进行科学有效的康复运动训练,患者的肌力得以增强,脑神经和患肢之间的传递通路得以重建。根据穿戴者的下肢运动功能缺失或减弱程度生成并调整步态以进行安全有效的康复训练,是目前下肢康复外骨骼的研究前沿与热点。针对下肢运动功能障碍导致的行走方式差异化和康复步态规划个性化问题,结合国内外下肢康复外骨骼步态交互设计的研究进展,围绕下肢康复外骨骼步态性能评价标准、步态生成方法、步态控制策略和典型康复应用进行了重点分析探讨。最后总结并对下肢康复外骨骼的步态交互设计未来发展方向进行了展望,为相关研究人员提供参考。
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    17. 面向减振降噪应用的声学超构材料研究进展
    肖勇, 王洋, 赵宏刚, 郁殿龙, 温激鸿
    机械工程学报    2023, 59 (19): 277-298.   DOI: 10.3901/JME.2023.19.277
    摘要367)      PDF(pc) (1619KB)(431)    收藏
    声学超构材料是由阵列化的人工微结构单元构筑的复合声学材料/结构。通过对声学超构材料中的微结构单元及其排布方式进行调控设计,可以实现对声波/弹性波(可视为固体中的声波)的人为高效操控,使其表现出超常的减振降噪性能及优势。当前,声学超构材料研究已成为机械工程、声学、力学、材料学、物理学等多学科交叉领域关注的热点方向。针对机械工程领域关注的装备振动与噪声控制技术背景,重点综述面向减振降噪应用的声学超构材料研究进展,分别从减振、隔声、吸声等功能应用需求出发,回顾国内外相关声学超构材料的研究进展,并指出当前研究不足,展望未来发展趋势,为推动声学超构材料在减振降噪领域的应用提供借鉴和参考。
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    18. 制造大数据分析综述:内涵、方法、应用和趋势
    汪俊亮, 高鹏捷, 张洁, 王力翚
    机械工程学报    2023, 59 (12): 1-16.   DOI: 10.3901/JME.2023.12.001
    摘要366)      PDF(pc) (555KB)(509)    收藏
    随着5G、物联网(Internet of things, IoT)和云计算等技术的发展,制造系统中数据的体量持续增长,并涌现出了全新的大数据特性与内涵,逐渐成为支撑制造系统运行优化的关键要素。为了进一步释放制造大数据的要素红利,对制造大数据分析方法展开综述,理清制造大数据的内涵,梳理大数据分析方法的发展历程,归纳制造大数据分析的应用,总结挑战与发展趋势。首先,从制造大数据的特点、数据密集型科学的内涵、大数据驱动的智能制造系统新模式三方面论述了制造大数据的新内涵;接着,从支撑技术与方法特点,对制造领域的大数据分析方法的发展历程进行回顾。然后,从产品设计、生产调度、产品装配、质量优化、设备运维和制造服务六个关键应用领域,对大数据分析方法在智能制造中的应用进行综述。最后,讨论制造大数据分析方法面临的挑战,展望未来大数据分析方法的发展方向,以期激发制造大数据分析方法的新思维、新理论,并推进制造大数据技术进一步发展。
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    19. 可解释机械智能诊断技术的研究进展与挑战
    林京, 焦金阳
    机械工程学报    2023, 59 (20): 215-224.   DOI: 10.3901/JME.2023.20.215
    摘要359)      PDF(pc) (456KB)(385)    收藏
    基于深度神经网络的机械智能诊断方法近年来得到快速发展,各式各样的模型方法相继涌现。然而,此类方法的性能彰显主要是在实验室环境,实际工业场景鲜有应用。究其原因主要在于模型内部非线性变换复杂,特征提取机理不清晰,进而引发使用者对决策的信任问题。特别是对于一些关键设备,倘若不能提前知晓模型得到诊断结论的原由,贸然采取措施会隐藏相当大的风险。近年来,可解释机械智能故障诊断研究越来越多地被关注,一些学者已开始对该领域进行探索,并初见成效。为促进深化研究,推动该领域发展,首先对深度神经网络可解释性研究的各种范式进行分类和讨论,然后详述了可解释性机械智能诊断的当前发展,最后讨论了现有的挑战以及未来的研究方向。
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    20. 考虑齿轮齿条动态激励的山地齿轨车辆-轨道耦合动力学特性分析
    陈再刚, 唐亮, 杨吉忠, 陈志辉, 翟婉明
    机械工程学报    2023, 59 (8): 163-173.   DOI: 10.3901/JME.2023.08.163
    摘要353)      PDF(pc) (882KB)(423)    收藏
    基于车辆-轨道耦合动力学及齿轮传动系统动力学理论,建立完整的考虑齿轮齿条动态啮合激励的齿轨车辆-轨道耦合动力学理论模型。提出了基于势能原理的齿轮齿条啮合刚度计算方法,并与Simpack自带的225号力元以及有限元法计算结果进行对比分析,表明提出的方法具有良好的精度与效率。基于该动力学模型,分析了轨道随机不平顺激扰下齿轮齿条动态啮合力、齿轮角加速度、轮轨垂向力、车体加速度等动态响应特性,探究了齿条基体挠度变形对齿轨动态响应的影响,揭示了线路坡度以及行车速度对齿轨车辆动力学性能的影响规律。研究结果表明,提出的解析法和有限元法均能反映齿条基体挠度变形对齿轨动态响应低频特性的影响;齿轮齿条啮合力、齿轮角加速度等齿轨啮合动态响应随线路坡度和行车速度的增加而增加;轮轨垂向力和横向力均方根值随运行速度的增加而增加;在分析的10~35km/h速度范围内,各轮对脱轨系数均小于0.8(允许限值),车体垂向和横向平稳性指标均小于2.5(优),满足相关标准对行车安全性与平稳性指标的要求。
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    21. 足式机器人液压驱动关键技术研究综述
    俞滨, 李化顺, 黄智鹏, 何小龙, 巴凯先, 史亚鹏, 孔祥东
    机械工程学报    2023, 59 (19): 81-110.   DOI: 10.3901/JME.2023.19.081
    摘要349)      PDF(pc) (2329KB)(397)    收藏
    足式机器人以自然界亿万年进化而成的哺乳动物、足式爬行动物或昆虫等足式生物为仿生原型,兼具足式生物肢体运动的灵活性和野外多种复杂地形的适应性,特别是与具备高功重比和快速响应能力优势的液压驱动相结合,大幅提升其运动性能和负重能力。首先,介绍足式机器人应用背景及其液压驱动基本原理,分析液压驱动在足式机器人设计与控制中的重要作用,列举现已公开的国内外多种形式液压足式机器人。其次,阐述近年来国内外研究机构针对足式机器人液压驱动单元、液压动力单元和液压控制方法三方面关键技术,取得的研究进展和研究成果。最后,从与仿生学深入融合的角度,提出了液压足式机器人腿部“肌骨”一体化仿生设计、机身“内脏”紧凑式仿生排布与控制“神经”多层级仿生融合的前沿发展趋势。
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    22. 一种食指康复外骨骼机器人设计与分析
    田宇, 王洪波, 刘颖, 杜家正, 牛建业
    机械工程学报    2023, 59 (9): 40-50.   DOI: 10.3901/JME.2023.09.040
    摘要348)      PDF(pc) (785KB)(438)    收藏
    针对现有手部康复机器人精细化操作不足与人机相容性较差的问题,从脑卒中临床康复需求出发,基于人体解剖学理论,提出一种新型欠驱动食指外骨骼康复机器人。采用2-UPS并联机构与鲍登线的新型组合设计,实现了掌指关节二自由度主动康复运动,提高了机器人精细化操作能力;在设计过程中将指骨作为人机闭式运动链的组成部分,并探讨了食指屈曲/伸展与内收/外展运动的耦合关系,完善了患者康复训练中的约束条件,使机器人运动与人体自然运动更加协调,提高了机器人的人机相容性;求解了机构的运动学反解,分析了机构的工作空间并完成了仿真验证;搭建实验样机并开展了机构性能测试,基于对15个被试开展的人机工程学与康复运动舒适性的调查问卷结果,采用层次分析法对设备进行了评价,结果表明该机构可以满足使用者的康复需求。
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    23. 基于自适应变分模态分解与功率谱熵差的机器人铣削加工颤振类型辨识
    孙朝阳, 彭芳瑜, 唐小卫, 闫蓉, 辛世豪, 吴嘉伟
    机械工程学报    2023, 59 (9): 90-100.   DOI: 10.3901/JME.2023.09.090
    摘要347)      PDF(pc) (807KB)(366)    收藏
    机器人铣削加工存在模态耦合颤振和再生颤振现象,有效地进行机器人铣削加工颤振类型的辨识是进行颤振精准抑制和保证加工质量的基础。为此,提出一种基于自适应变分模态分解与功率谱熵差的颤振类型辨识(AVMD-ΔPSE)方法。通过分析机器人铣削加工颤振特性和主导模态,将机器人铣削颤振分为机器人结构模态主导的模态耦合颤振和刀具-主轴结构模态主导的再生颤振两种类型。为了提取颤振敏感子信号,利用自适应变分模态分解方法对原始信号进行分解,根据功率谱熵和频率消除算法设计功率谱熵差颤振类型辨识指标,结合多组试验数据采用高斯混合模型自适应地确定辨识指标最佳分类阈值。颤振辨识试验表明机床铣削加工颤振辨识方法运用于机器人铣削加工中仅能识别颤振却无法区分不同的颤振类型,而AVMD-ΔPSE方法能准确有效地辨识和区分机器人铣削加工中的模态耦合颤振和再生颤振,为机器人铣削颤振的针对性抑制提供理论指导。
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    24. 面向机器人精密装配的高精度圆片位姿视觉检测
    王斌, 吴丹, 盖宇航
    机械工程学报    2023, 59 (8): 50-59.   DOI: 10.3901/JME.2023.08.050
    摘要336)      PDF(pc) (33685KB)(336)    收藏
    为了引导机器人精密装配过程的轴孔自动对中,提出一种高精度圆片位姿视觉检测算法。根据圆片的几何性质,对采集图像进行圆片轮廓提取、上表面轮廓椭圆检测和亚像素精度优化,从而获得能高精度拟合圆片上表面的轮廓椭圆方程。基于该椭圆方程,利用圆锥曲线透视投影原理建立了从2D椭圆到3D空间圆的位姿转换数学模型,可以根据圆片表面轮廓椭圆方程和圆片半径解算圆片上表面圆心坐标和圆片轴线方向向量,并提出两个轮廓点筛选准则以消除图像中部分非高斯噪声的干扰。针对位姿解算的二义性问题,提出一种利用圆片下表面圆心重投影的二义性消除方法,其优势在于无需增加环境约束。仿真分析和视觉检测实验结果表明,所提出算法鲁棒性好且检测精度达到:圆片上表面圆心的x,y轴位移检测精度0.01 mm,圆片轴线方向向量的角度检测精度0.7°。
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    25. 基于鲁棒不平衡凸包分类的锥齿轮箱故障诊断方法
    李鑫, 杨宇, 程健, 程军圣
    机械工程学报    2023, 59 (8): 32-41.   DOI: 10.3901/JME.2023.08.032
    摘要333)      PDF(pc) (31784KB)(350)    收藏
    实际工况下,拾取的锥齿轮箱振动信号中不可避免会掺杂噪声及异常点。同时,考虑到故障样本获取困难,提出一种鲁棒不平衡凸包分类(Robustness imbalanced convex hull-based classification,RICHC)模型用于锥齿轮箱故障智能诊断。RICHC根据不同样本在类别分布估计中的作用,确定各样本的置信函数,降低异常值和含噪样本的权重,使凸包模型边界更加紧致,以提高模型的鲁棒性。同时,构建自适应模型缩放策略,使RICHC根据多数类和少数类间的动态不平衡因子,调整不同类别间凸包的缩放比例,得到更加准确的分类超平面,从而提升模型的不平衡数据处理能力。采用锥齿轮箱故障数据验证所提方法的有效性及适用性,试验结果表明:相较于其他算法,所提方法对噪声和异常值具有更强的抗干扰能力,且该方法具有更优异的类不平衡分类性能。
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    26. 数控机床可靠性技术新进展
    杨兆军, 何佳龙, 刘志峰, 李国发, 陈传海
    机械工程学报    2023, 59 (19): 152-163.   DOI: 10.3901/JME.2023.19.152
    摘要333)      PDF(pc) (1041KB)(314)    收藏
    数控机床作为制造业的工业母机,是国家战略装备,可靠性技术是制约其产品质量的关键共性技术。主要对我国近十余年来数控机床可靠性技术研究的新进展进行了综述,包括全生命周期的技术路线、可靠性试验技术与装备、可靠性设计、可靠性增长以及可靠性数据库与试验研究基地建设等情况。分析指出了可靠性技术研究存在的问题和不足,并对数控机床可靠性的技术需求与发展动态进行了展望。
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    27. 飞行器变形翼研究现状与展望
    肖洪, 杨广, 郭宏伟, 刘荣强, 陶建国, 邓宗全
    机械工程学报    2023, 59 (19): 1-23.   DOI: 10.3901/JME.2023.19.001
    摘要325)      PDF(pc) (1923KB)(419)    收藏
    传统固定构型机翼因其气动外形难以满足飞行器日益增长的性能要求,因此飞行器变形翼研究得到广泛的关注,已成为当前国际航空航天领域的研究热点,是飞行器实现大空域、宽速域的关键技术,其发展趋势是多维度、大变形、高刚度、轻量化等。近年来,科研人员设计出多种形式的变形翼,如变弦长、变后掠、变展长、展向变弯曲、弦向变弯曲、翼型变厚度等。根据翼面内变形和翼面外变形对变形翼进行分类,详细阐述变形翼的研究现状。分析飞行器变形翼研究发展趋势,包括多维度变形机构与大承载连续光滑变形蒙皮结构设计、高效能驱动器及分布式驱动技术、变形翼机构-蒙皮-驱动一体化设计与优化、融合环境的变形翼设计与验证等关键技术,为飞行器变形翼研究提供借鉴与参考。
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    28. 转向架关键运动部件动力学机理与故障诊断研究综述
    杨绍普, 顾晓辉, 刘永强, 邓飞跃, 刘泽潮, 刘文朋, 王宝森
    机械工程学报    2023, 59 (20): 225-243.   DOI: 10.3901/JME.2023.20.225
    摘要325)      PDF(pc) (552KB)(299)    收藏
    转向架是机车车辆的关键子系统之一,对保证列车的运行性能和服役安全具有重要的作用。随着列车运行速度的提高,轮轨之间的动态相互作用加剧,导致轮对、轴箱轴承、齿轮传动系统、牵引电机等转向架关键运动部件的运行工况十分恶劣,故障时有发生,危及行车安全。针对转向架关键运动部件的动力学行为和故障诊断,国内外学者开展了大量的研究工作。首先,从动力学模型、故障机理分析两个方面总结了转向架关键运动部件的研究现状。其次,梳理了转向架关键运动部件故障诊断中常用的信号处理和机器学习方法。最后,面向智能运维的工程需求,对当前研究存在的问题和发展趋势进行了总结和展望。
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    29. 旋转机械突发不平衡故障早期预警及诊断方法研究
    肖扬, 王庆锋, 杨哲, 徐伟, 舒悦, 陈文武
    机械工程学报    2023, 59 (11): 308-318.   DOI: 10.3901/JME.2023.11.308
    摘要325)      PDF(pc) (593KB)(292)    收藏
    旋转机械突发不平衡故障的早期预警是当前状态监测领域工程实践中的难题,对于避免设备非计划停机造成灾害事故发生具有重要的意义。针对实际工程应用中,正常数据丰富、故障数据缺乏的情况,提出一种旋转机械突发不平衡故障早期预警及诊断方法。提取正常运行工况历史数据的特征指标,构建支持矢量数据描述预警模型检测早期故障趋势,再利用包括强化特征提取、强化特征迁移、强化模式识别的强化故障诊断方法进行模式识别。应用两组石化企业实际工程故障案例作为测试数据,早期预警方法相较于传统的振动峰-峰值报警分别提前了2 400 min和4 330 min。强化故障诊断方法对两组测试数据的识别准确率分别为95%和90%,与其他故障识别方法相比诊断精度和F分数最高,标准差最低。结果表明,所提方法具有良好的早期故障检测性能,对不同设备和工况的跨域数据故障识别鲁棒性较好,领域泛化能力较强。
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    30. 产品方案低碳设计研究综述与展望
    孔琳, 李方义, 王黎明, 周家璇, 蔡泽康, 马艳
    机械工程学报    2023, 59 (7): 2-17.   DOI: 10.3901/JME.2023.07.002
    摘要322)      PDF(pc) (16109KB)(312)    收藏
    温室气体(GHGs)排放是全球气候问题日益严重的重要原因,成为人类社会面临的共同挑战。产品设计阶段对其生命周期的环境产生重要影响,低温室气体排放产品的设计和开发对于缓解气候变化至关重要。聚焦于产品方案低碳设计的“设计-评价-再设计”过程,围绕产品方案的低碳设计信息建模、碳足迹评估、低碳决策优化以及低碳设计工具开发四个方面,分析了其研究的现状与应用场景。针对现有产品方案低碳设计研究存在的设计信息关联难集成、清单数据动态难获取、设计信息海量难优化、设计工具分散难融合等问题,提出了产品方案低碳设计的发展愿景和研究方向:1) 复杂映射关联机制下的设计信息集成建模,2) 融合设计场景的碳足迹评估策略,3) 低碳设计多目标、多阶段智能决策优化方法,以及4) 低碳设计集成工具开发。
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    31. 基于稀疏表示的叶片热障涂层太赫兹检测回波信号定位分离方法
    徐亚飞, 王星雨, 钟舜聪, 张留洋, 陈雪峰
    机械工程学报    2023, 59 (8): 9-19.   DOI: 10.3901/JME.2023.08.009
    摘要311)      PDF(pc) (76059KB)(395)    收藏
    针对带热障涂层叶片样品多层反射、材料色散吸收以及噪声等原因造成太赫兹回波信号定位不准的问题,提出一种基于稀疏表示的时间切片稀疏色散模型,考虑材料色散对太赫兹时域回波信号脉冲展宽的影响,结合太赫兹回波信号的卷积模型,建立对应的太赫兹稀疏色散字典,并通过谱投影梯度凸优化算法重构稀疏的脉冲响应函数,实现复杂回波信号延迟时间的定位。此外,引入方均根误差和稀疏性评价指标,从重构精度和稀疏性两个维度定量衡量提出方法对太赫兹回波的定位效果。理论模拟和热障涂层试验结果表明所提出的方法具有更好的重构精度和稀疏度,回波定位效果优于频域小波解卷积和未考虑色散的稀疏重构方法,更能适应于复杂太赫兹回波信号的精确定位,为太赫兹复杂信号的处理提供了一种新的途径。
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    32. 序言
    康国政, 杨冰, 张显程, 姜潮, 赵军华
    机械工程学报    2023, 59 (16): 1-1.   DOI: 10.3901/JME.2023.16.001
    摘要285)      PDF(pc) (139KB)(383)    收藏
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    33. 多足蠕动式攀爬机器人混联机构运动特性及其工作空间
    陈凯云, 盛晨原
    机械工程学报    2023, 59 (9): 28-39.   DOI: 10.3901/JME.2023.09.028
    摘要284)      PDF(pc) (720KB)(193)    收藏
    针对海洋钢桩腐蚀防护的自动化作业问题,提出一种多足蠕动式攀爬机器人。该机器人在攀爬过程中具有混联构型和并联构型两种状态,通过两组机械足交替夹持与移动,实现攀爬作业任务。基于螺旋理论和修正的Grübler-Kutzbach公式,分析机器人的自由度,得到机器人并联部分机构的自由度恒为1,不会受到机械足数量的影响;采用Denavit-Hartenberg(D-H)法和解析法,建立机器人的运动学模型,确定机械足与机器人主体的位置映射关系;利用蒙特卡洛算法,计算六足、八足以及十足的机器人攀爬工作空间。基于此,在确定海洋钢桩的规格后,综合考虑机器人主体尺寸、夹持力等因素,最终选择六足构型。通过若干组机器人攀爬实验,对建立的机器人运动学模型进行验证。试验结果表明:研制的六足蠕动式攀爬机器人实验样机结构设计合理,符合攀爬工作要求。研究成果将为海洋钢桩腐蚀防护自动化装备的研制,以及混联机构在管外攀爬机器人领域中的应用,提供理论依据。
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    34. 基于模型控制的液压机械臂高精度轨迹跟踪
    丁孺琦, 王振, 程敏, 徐兵, 刘子辰
    机械工程学报    2023, 59 (14): 298-309.   DOI: 10.3901/JME.2023.14.298
    摘要274)      PDF(pc) (837KB)(371)    收藏
    液压机械臂具有高度非线动力学特性,末端轨迹跟踪误差大。为此,提出一种辨识动力学参数的基于模型的控制算法(Model-based control, MBC)。该控制算法由外环的液压缸位置反馈控制器、内环的力控制器以及前馈流量补偿控制器三部分输出叠加组成。力控制器充分考虑液压机械臂动力学模型,动态补偿惯性力、重力和摩擦力等干扰力对控制精度的影响;位置控制器用以消除液压执行器造成的力偏差;前馈流量补偿器根据液压执行器动力学模型计算流量补偿量,提高系统响应与精度。针对动力学模型中存在的参数不准确问题,采用了最小二乘参数辨识的方法,在激励轨迹下获取液压机械臂动力学参数精确值。试验结果表明,所提出的辨识动力学参数的MBC控制算法相比3D模型参数的MBC控制在自由空间运动位置跟踪精度提升了39.24%,相比与传统PID控制提升了93%,显著提高了轨迹跟踪精度。
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    35. 基于车辆动力学的动车组轴箱轴承动态载荷计算方法
    杨晨, 池茂儒, 吴兴文, 李奕潇, 张玉梅
    机械工程学报    2023, 59 (14): 179-189.   DOI: 10.3901/JME.2023.14.179
    摘要271)      PDF(pc) (806KB)(323)    收藏
    轴箱轴承动态载荷计算结果的准确性对轴承寿命评估具有重要意义。考虑轴承的时变刚度特性,建立某型高速动车组的轴承-车辆-轨道-结构刚柔耦合动力学模型;研究该模型与传统旋转铰车辆动力学模型的轴承动态载荷计算结果的差异,进一步分析轴承刚度与载荷之间的相关性以及动态刚度的分布特征。结果表明,在典型轨道不平顺激扰下,耦合模型与旋转铰模型的轴承边界载荷计算结果基本一致;在实测车轮不平顺激扰下,相比旋转铰模型,耦合模型计算的轴承纵向、横向和摇头载荷幅值整体上偏小,垂向和侧滚载荷幅值整体上偏大,且差异主要集中在100 Hz以上的部分;轴承的垂向刚度与垂向载荷之间具有显著的线性相关性;从动态刚度统计的角度,分别给出轴承的纵向、横向、垂向、侧滚和摇头等效刚度,为4 790 MN/m、58.8 MN/m、4 960 MN/m、3.44 MN·m/rad、18.2 MN·m/rad,可用于完善传统车辆动力学中的轴承建模。所提轴承载荷计算方法可为轴承寿命评估提供载荷参考依据。
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    36. 基于时频关键信息融合的热障涂层太赫兹准确测厚方法
    孙凤山, 范孟豹, 曹丙花, 刘林
    机械工程学报    2023, 59 (14): 10-22.   DOI: 10.3901/JME.2023.14.010
    摘要269)      PDF(pc) (916KB)(331)    收藏
    当前太赫兹(Terahertz, THz)厚度测量主要基于飞行时间理论,然而热障涂层微观结构不均匀,精确测厚需要引入频域信息在线提取折射率。为此,基于THz波传输特性,提出了关键时频信息融合方法,结合深度学习减小了反射峰变形对折射率测量精度影响,提高了微观结构不均匀条件下热障涂层测厚准确性。首先构建了考虑热障涂层表界面粗糙度THz信号解析模型,发现了测厚所需飞行时间与折射率可利用时域和频域数据求解。然后利用小波变换实现了THz信号时频融合,依据朗伯比尔定理揭示了完整时频图含有冗余信息物理机理。最后基于厚度特征获取了关键时频图,以此为输入,构建了卷积神经网络测厚方法。试验与仿真结果表明,所提出方法与反射峰提取、时域特征机器学习、时域信号、插值下采样时频图、完整时频图卷积神经网络测厚方法相比,平均绝对误差分别减小4.65 μm、3.08 μm、2.51 μm、0.58 μm、0.25 μm,较输入完整时频图网络训练耗时降低1 446 s。关键时频融合方法可提高热障涂层微观结构不均匀与反射峰变形条件下THz测厚精度。
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    37. 脑损伤上肢康复机器人及其临床应用研究
    何畅, 熊蔡华, 陈文斌
    机械工程学报    2023, 59 (19): 65-80.   DOI: 10.3901/JME.2023.19.065
    摘要269)      PDF(pc) (535KB)(280)    收藏
    综合运用现代医学和工程科学方法,研制重塑受损脑神经环路的康复机器人,是人机共融机器人学前沿研究的重要科学目标,也是当前国际上亟待破解的难题之一,面临医学、信息科学、机械工程等多学科的挑战。以人体上肢康复机器人为对象,系统深入地剖析了当前最先进的上肢康复机器人及其临床应用情况,具体从人肢体自然运动规律及其机械复现原理,机械运动、神经刺激原理,人-机主被动协调控制等角度,比较了当前各种康复装备的特点,讨论了肢体康复机器人的未来发展趋势,阐述了脑损伤康复机器人走向临床应用需要破解的关键核心技术问题。
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    38. 基于深度强化学习的四足机器人跟随策略研究及系统实现
    钟沛成, 骆德渊, 庞明君
    机械工程学报    2023, 59 (13): 79-88.   DOI: 10.3901/JME.2023.13.079
    摘要268)      PDF(pc) (717KB)(319)    收藏
    目标跟随策略是四足机器人目标跟随系统的重要组成部分。针对跟随过程中目标运动随机因素多、系统决策复杂以及现实部署鲁棒性不足的问题,首先,提出一种基于深度强化学习的目标跟随策略,该策略根据输入的目标相对于机器人的空间位置信息,输出跟随动作指令,实现机器人对随机运动目标的跟随决策。然后,使用基于Actor-Critic框架的深度强化学习算法对机器人进行训练,并添加观测值噪声以获得更鲁棒的跟随策略和引入修正因子来减少仿真环境与真实环境中机器人的运动速度偏差,先在仿真平台上进行了初步验证,最后将跟随策略部署到四足机器人上进行实验验证。结果表明,系统跟随性能良好,满足大多数应用场景的需要。
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    39. 面向智能制造过程的刀具设计、制备与管控技术
    丁明娜, 刘献礼, 岳彩旭, 范梦超, 顾浩
    机械工程学报    2023, 59 (19): 429-459.   DOI: 10.3901/JME.2023.19.429
    摘要267)      PDF(pc) (4002KB)(327)    收藏
    随着智能制造技术的迅猛发展,制造业正在逐步实现智能化生产,特别是对于异常复杂的切削加工过程,智能化的实现尤为重要。刀具作为切削过程中最活跃的要素,其性能与寿命对零件的加工精度和生产效率有直接影响。材料切削性能的多样性、加工系统动态变化的非线性以及生产节拍的多变性等问题给刀具设计、制备与管控技术带来了巨大的挑战,智能制造技术使面向需求的刀具精准高效设计、精确可靠制备与科学全面管控得以实现,有利于生产过程节能降耗与提质增效。本文提出了面向智能制造过程的刀具设计、制备与管控的相关技术架构,从面向智能制造的刀具设计方法、制备过程与管控技术三个方面梳理了国内外相关研究成果及应用案例,并对基于虚实映射与迭代优化的面向全生命周期的刀具设计、制备与管控技术进行了展望。刀具全生命周期的智能化必将助力制造产业升级和结构优化,促进生产方式智能变革。
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    40. 金属基复合材料切削去除机理与过程建模研究综述
    杨明辉, 邓犇, 易家乐, 彭芳瑜, 潘之千, 张杭
    机械工程学报    2023, 59 (19): 460-474.   DOI: 10.3901/JME.2023.19.460
    摘要265)      PDF(pc) (1076KB)(271)    收藏
    随着航空航天、生物医疗等领域对高端装备中使用的复合材料零部件的制造需求跨越式提升,金属基复合材料(Metal matrix composites, MMCs)切削加工性能研究成为学术界和工业界持续关注的热点之一。近年来众多学者在MMCs切削过程分析方面已开展大量研究并取得丰富成果,但仍缺乏从MMCs组织和性能角度总结材料去除机理和切削过程建模的研究进展,特别是针对微细切削加工研究的报道较少。本文重点分析不同加工尺度下增强相特征参数对MMCs去除机理的影响,探讨MMCs的微尺度去除机理。此外,还对切削过程建模研究进行了综述,包括本构关系与切削力的解析建模、切屑成形过程有限元仿真模拟和原位观测分析,重点总结了材料多相结构、增强相脱粘与断裂行为以及强化机制和尺度效应等机理在建模中的体现,为微细切削过程建模提供重要指导。最后,对MMCs切削过程研究进行了总结和展望,为解决MMCs微细/精密切削加工难题提供理论和数据支撑。
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