2010年, 第46卷, 第13期　
刊出日期：2010-07-05

  

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  柔性铰链机构设计方法的研究进展

  于靖军;裴旭;毕树生;宗光华;张宪民

  . 2010, 46(13): 2-13.

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  柔性机构历经20年的发展已成为现代机构学一个重要分支，并在精密工程、机器人等领域得到了广泛应用。虽然涌现了一系列柔性机构设计方法与理论，但柔性机构的设计问题仍面临着挑战。主要针对柔性机构在精微领域的应用，从方法和技术的角度全面地概述柔性机构的研究进展。从宏观上对当前几种主流的柔性机构分析与及设计方法(包括伪刚体模型法、结构矩阵法、约束设计法、旋量理论拓扑综合法、模块法、结构优化设计法等)进行总结与比较，按照柔性机构的设计流程详述柔性机构在单元建模、构型综合、机构分析以及尺度综合等方面的国内外研究进展，对柔性机构设计理论的发展进行展望。
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  变胞机构的研究综述与展望

  李端玲;张忠海;戴建生;张克涛

  . 2010, 46(13): 14-21.

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  随着变胞机构研究的深入，变胞机构理论和应用也不断地发展和创新，有必要将现有的研究成果加以总结和分析，对未来的发展趋势进行展望，以促进变胞机构理论和应用的进一步发展。在变胞机构研究的基础上，介绍变胞机构的起源和意义，提出判定条件和5种变胞方式及其实现方法。并按照变胞机构的结构学、运动学、动力学、柔性变胞机构等方面，对变胞机构理论的研究现状进行阐述。鉴于变胞机构的结构学研究较多，按照变胞机构的构态描述方法、结构分析方法和结构综合方法等3个方面进行总结。并介绍变胞机构在航天、现代制造业和机器人等领域的应用现状。对于变胞机构的未来发展趋势进行构想和展望，提出几个未来潜在的研究方向。
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  基于扩展Assur杆组的变胞机构组成原理

  李树军;戴建生

  . 2010, 46(13): 22-30.

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  提出一种模块化构造变胞机构的新方法，系统研究变胞机构结构组成问题。该方法即基于Assur杆组构造自由度为1的扩展的Assur杆组，应用Assur杆组法构造平面单自由度机构的规则，构造多自由度平面变胞机构。基于Assur杆组构建自由度为1的扩展Assur杆组，给出基于扩展Assur杆组的变胞机构组成原理、自由度的计算、具有确定运动的构型等基本问题。根据变胞后的蜕化的等效Assur杆组，研究扩展Assur杆组的运动变换特征，为变胞机构的结构综合提供依据。基于扩展杆组的概念，构造几种典型的空间1自由度变胞杆组，并对空间变胞机构的结构组成原理进行探索。实例表明，就像用Assur杆组构造普通机构一样，平面和空间变胞机构都能用所给出的自由度为1的模块构造而成，实现了系统的设计变胞机构。
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  基于傅里叶级数理论的连杆机构轨迹综合方法

  褚金奎;孙建伟

  . 2010, 46(13): 31-41.

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  探讨傅里叶级数在平面和空间连杆机构中的几何意义，给出平面和空间连杆机构连杆曲线的统一数学表达式。借助傅里叶级数理论，对该表达式的谐波成分进行理论分析，发现连杆曲线谐波成分与其相应连杆转角函数谐波特征参数和机构尺寸参数的内在联系。通过连杆机构基本尺寸型与连杆转角函数的关系，提出建立连杆曲线数值图谱，以及推导连杆机构实际尺寸、连杆上点的位置和安装尺寸参数理论公式的一般方法。建立由平面机构到空间机构在形式上和内容上统一的连杆机构轨迹综合理论。从而为连杆机构轨迹综合提供了一种有效的通用方法。最后通过空间连杆机构轨迹综合算例，说明了本方法的有效性。
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  基于基础结构法的柔顺机构可靠性拓扑优化

  占金青;张宪民

  . 2010, 46(13): 42-47.

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  为了减少因制造和使用过程中的不确定性因素而导致的机构性能下降现象，提出一种新的基于基础结构法的柔顺机构可靠性拓扑优化方法。框架单元能够包含弯曲模式，因此采用它的集合来表示设计域。将作用载荷和结构几何尺寸视为随机变量，把机构的失效模式视为应变能和互应变能的串联系统。采用一次可靠度方法计算串联系统的失效概率。建立柔顺机构可靠性拓扑优化设计对偶数学模型，采用对偶算法对优化问题进行迭代求解。数值算例结果表明，提出的方法是正确和有效的；基于可靠性拓扑优化所得机构比确定性拓扑优化所得机构具有更好的性能。
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  平面柔顺机构的自由度

  陈贵敏;李端玲

  . 2010, 46(13): 48-53.

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  柔顺机构是一类借助其柔性元素自身的弹性变形来传递运动、力或能量的装置。由于引入了柔性元素，柔顺机构中构件和运动副常常无法严格区分，导致其自由度概念有别于刚体机构的自由度，甚至带有一定的模糊性。在总结柔顺机构的结构和运动特点的基础上，分析确定机构自由度应遵循的基本准则，并给出可用于全面描述柔顺机构的两种自由度的定义(刚性自由度和柔性自由度)和相关推论。通过几种典型柔性元的伪刚体建模的讨论以及相关设计实例的分析，给出一种行之有效的平面柔顺机构自由度的计算方法。
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  基于旋量理论的并联柔性机构构型综合与主自由度分析

  李守忠;于靖军;宗光华

  . 2010, 46(13): 54-60.

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  随着精密工程的发展，柔性机构的应用前景越来越广。现有柔性机构的种类相对较少，因此综合更多的柔性机构，尤其高性能的柔性机构变得至关重要。在旋量理论指导下，提出一种基于自由与约束对偶原理的并联柔性机构的图谱化构型综合方法。该方法简单、直观，物理意义明确。随后对3自由度(2R1T和3R)并联柔性机构进行构型综合，给出一系列综合实例。为寻求高性能的构型，提出一种针对实际柔性约束的主自由度分析方法，来验证所得构型的自由度。最后，对一种2R1T并联柔性机构进行主自由度分析，通过分析给出了结构参数对机构特征柔度的影响。
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  6-RSS并联机构工作空间优化算法对比分析

  李浩;张玉茹;王党校

  . 2010, 46(13): 61-67.

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  获得大工作空间是并联机构设计中的一个重要目标，利用3种优化算法对并联机构工作空间体积进行优化，以6自由度机构6-RSS为例，建立优化模型，分析比较优化算法的性能。考察的性能指标主要有优化效果、数值稳定性、时间效率。涉及到的优化算法包括多岛遗传算法、广义简约梯度法、序列二次规划法，后两种算法在应用时与试验设计(Design of experiment, DOE)方法进行集成。试验分析表明，DOE结合局部优化算法的改进型优化方法有明显优势，优化后6-RSS并联机构的工作空间体积增加为原来的2.59倍，优化时间仅为多岛遗传算法的1/5，优化结果稳定。
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  柔性关节摩擦和不确定补偿的小波神经——鲁棒复合控制

  孙汉旭;褚明;贾庆轩

  . 2010, 46(13): 68-75.

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  研究柔性关节的高精度位置跟踪问题。建立柔性关节二阶级联动力方程，并引入非连续摩擦力和干扰项，针对系统存在的柔性与摩擦并存、不确定参数摄动、外部干扰等复杂动力特性，提出一种复合控制策略。全局采用李雅普诺夫函数的Backstepping方法设计具有柔性补偿和L2干扰抑制性能的控制器；同时，针对常规神经网络无法辨识非连续性函数的问题，提出在局部采用小波神经网络对摩擦和不确定项进行补偿。该方法不仅避免了复杂的求导运算，而且无须检测关节角加速度和预知摩擦及不确定上界。闭环稳定性分析和数值试验表明，设计的控制器具有鲁棒稳定性和干扰抑制性能，可保证系统的跟踪误差和网络权值误差一致终值有界，且避免了柔性关节因摩擦引起的爬行和平顶现象。
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  仿鳄鱼水陆两栖机器人机构优化设计与试验验证

  王田苗;仲启亮;孟刚;梁建宏;刘永军

  . 2010, 46(13): 76-82.

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  在分析国内外两栖仿生机器人研究最新进展的基础上，以鳄鱼为生物原型，设计一套两栖机器人爬行与游动复合机构。在对复合仿鳄鱼机构进行的仿真优化过程中，得出使得机器人运动效果最优的一组身长与腿长的比例为17:13。认为在腰部扭转的角度一定时，机器人的运动性能随着腿长与身长比例的增加而渐优；而在腰部转到极限扭转角的情况下，机器人运动性能随着腿长与身长的比例增加呈现近似抛物线规律。设计制作仿鳄鱼两栖机器人的原理样机，并进行爬行与游动试验。试验结果表明，使得机器人运动效果最佳的运动频率是2 Hz。
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  具有关节角反馈的绳驱动拟人臂机器人机构设计与张力分析

  陈泉柱;陈伟海;刘荣;张建斌

  . 2010, 46(13): 83-90.

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  绳驱动与并联机构技术应用于拟人臂机器人上，设计一种绳驱动的串并混联拟人臂机器人。其特点之一是在拟人臂的各个旋转关节安装有旋转编码器，采用关节角反馈的控制方法，提高了机构的控制精度。特点之二是通过刹车线结构的使用，实现了机构肩、肘、腕关节的完全解耦，并根据旋量理论，对肩、腕关节所使用的绳驱动球面并联机构进行弱耦合研究，简化了机构的运动学公式。讨论驱动绳索的张力变化关系，针对绳驱动机构的特点提出相应的混合控制策略，并且通过试验验证了机构的可行性和算法的有效性。
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  蟑螂机器人仿生机理及运动控制

  高勇;陈伟海;陆震;刘敬猛

  . 2010, 46(13): 91-99.

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  对蟑螂机器人的仿生机理、基于行为控制系统、足模块设计、运动学和运动控制问题进行深入的分析。蟑螂的神经和肌肉运动系统是躯体运动及姿态实现的物质基础。通过工程模拟，研究在未知环境中蟑螂机器人如何通过行为控制方式来完成机器人的控制和步态生成。设计一种带有计算功能的足模块，最终目的是大量减少计算过程，以此保证蟑螂机器人非凡的灵活性。基于旋量理论和局部指数积公式，提出利用Paden-Kahan子问题法求解蟑螂机器人关节角位移的逆运动学方法，前向运动学的求解首先根据机体的自然约束来推导关节角之间的位置关系，然后用局部指数积公式推导机体位姿。运动控制采用分布式同步控制方式，并应用位置、速度和时间运动模式，保证了蟑螂机器人腿关节的轨迹跟踪精度与速度的平滑。仿真试验结果验证了上述仿生机制的有效性，并为进一步研究奠定了基础。
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  模块化群体机器人构型分析与自组装控制

  魏洪兴;王田苗

  . 2010, 46(13): 100-108.

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  源于社会性昆虫的自组织原理，自组装为群体机器人的协作提供了有效的行为模式。提出一种分布式自组装控制方法，并基于自主开发的新型自组装模块化机器人Sambot进行试验研究。采用构型连接状态表的方法对多个Sambot组成的集合体机器人的运动构型进行描述与分析，建立运动构型库。提出一种由种子机器人、对接机器人与连接机器人组成的分布式自组装系统，其中种子与连接机器人决定自组装规则，并控制构型增长；对接机器人没有任何目标构型与全局坐标信息，采用基于行为的控制器，实现与种子及连接机器人的的自主对接。用5个Sambot机器人成功演示了典型蛇型与4足构型的自组装试验，验证了控制算法的有效性。
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  基于A*算法的空间机械臂避障路径规划

  贾庆轩;陈钢;孙汉旭;郑双奇

  . 2010, 46(13): 109-115.

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  针对空间机械臂在轨操作任务需求，提出一种基于A*算法的避障路径规划算法。根据机械臂和障碍物几何特征，对机械臂模型和障碍模型进行简化。通过研究机械臂本身所固有的几何特性，根据障碍物的位姿坐标，分析机械臂各杆件与障碍物发生碰撞的条件，进而求解空间机械臂的无碰撞自由工作空间。在此基础上，利用A*算法在空间机械臂的自由工作空间进行无碰撞路径搜索，实现了空间机械臂的避障路径规划。通过仿真试验验证了基于A*算法的空间机械臂避障路径规划算法的有效性与可行性。
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  高效液力变矩传动系统

  李华;姚进;赵世佳

  . 2010, 46(13): 116-121.

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  针对液力变矩器传动效率较低的问题，提出一种具有自适应性的高效率液力变矩传动系统。在原动机和液力变矩器间增加磁粉离合器，实现传动系统由单流传动变为双流传动，使得当载荷增大传动效率下降时，原动机通过磁粉离合器向变速器的输入轴提供力矩，从而改变液力变矩器的转速比，使液力变矩器工作于高效点。给出磁粉离合器传递的力矩和传动系统效率的计算公式，为自适应性高效率液力变矩传动系统的设计提供理论基础。实例计算结果表明，所提出的高效液力变矩传动系统的传动效率能平均提高4.6%左右。
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  盾构推进系统分区性能分析的等效机构建模

  邓颖聪;郭为忠;高峰

  . 2010, 46(13): 122-127.

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  推进系统是盾构重要组成部分，推进系统分区控制是实现盾构有效推进作业的核心手段。提出推进系统超冗余并联机构模型建立方法，将推进液压缸后端顶靴与隧道衬砌管片的直接接触关系等效为球副连接，将各推进液压缸支链均等效为球副—移动副—球副(SPS)支链，从而将推进系统整体上等效为具有与推进缸数目相同的SPS支链构成的并联机构。在此基础上，基于力合成原理，将液压缸相互连通的单个分区等效为一个推进缸，确定出该等效推进缸的铰链参数，建立起分区后的推进系统等效机构模型。再基于并联机构学理论，推导出推进系统分区等效机构的运动分析模型。四分区算例验证了用所提方法建模并分析推进系统分区性能的有效性。研究成果为盾构推进系统分区性能设计、评价和推进作业控制提供了有效理论和方法。
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  降噪源分离技术及其在机械设备运行信息特征提取中的应用

  成玮;张周锁;何正嘉

  . 2010, 46(13): 128-134.

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  常用的信号处理方法分析了信号按照频谱分布关系的组成结构，而未揭示各个信号组成成分与发生源之间相对应的因果联系。降噪源分离(Denoising source separation, DSS)技术在仅知观测信号的条件下，按照统计特征将复杂信号分解为若干分量，而这些分量反映了观测信号的发生源，为设备状态监测与振动噪声主动控制提供了直接依据。研究DSS基本理论以及基于不同准则的降噪函数，并通过典型机械信号的仿真试验定量比较基于能量函数、斜度函数、峭度函数以及正切函数四类降噪函数的分离性能。分析结果表明，基于正切降噪函数的源分离方法从非线性耦合信号中提取的分量与源信号时域相关系数高于0.89，因而更适合于提取机械设备非线性耦合信息。将基于正切降噪函数的源分离方法应用于某型号军舰的机械设备运行信息特征提取中，定量分析结果表明，该方法很好地从舱壁混合振动信号中提取出了各台设备的运行特征信息。
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  PD结合输入整形抑制单模态弹性机构振动仿真研究

  董明晓;宋传增;梅雪松

  . 2010, 46(13): 135-140.

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  小阻尼单模态弹性机构的动力学特性表现为长时间减幅振动特性，如果仅仅考虑时域性能指标和频域性能指标设计PID控制器对其进行控制，可能导致系统过大的超调量和长时间的残留振动。为有效解决这一问题，将输入整形引入PD反馈控制系统中，提出PD结合输入整形控制策略。研究在4种典型输入信号作用下PD结合输入整形控制系统响应和控制力的通用表达式，定量分析输入整形对系统响应、控制力和能耗的作用规律。在相同反馈增益的情况下与PD反馈控制相比较，PD结合输入整形控制使系统产生较小的超调量，需要较小的控制力，允许系统具有较大的振动频率和较小的阻尼比，从而提高了系统的响应速度，而且输入整形有效地抑制系统的残留振动，从而减小系统的稳定时间，降低系统的能耗。通过仿真进一步证明了这一控制策略的有效性。
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  基于计算力矩法的装载机工作装置轨迹控制

  龚捷;鲍金锋;衣冠超;崔玉鑫

  . 2010, 46(13): 141-146.

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  为了实现装载机工作装置铲掘作业时的轨迹跟踪控制，建立装载机工作装置的运动学及动力学模型，采用计算力矩法设计装载机铲掘作业的轨迹跟踪控制器，并根据装载机工作装置在作业时的受力情况加入作业阻力补偿。在Matlab/Simulink环境下建立装载机工作装置运动学、动力学模型及具有作业阻力补偿的计算力矩法控制器模型，并将在Solidworks环境中建立的ZL50装载机三维模型导入ADAMS。经ADAMS-Matlab联合仿真的结果表明，具有作业阻力补偿的计算力矩法可以实现装载机工作装置铲掘作业时所期望轨迹的高精度的跟踪控制。
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  基于零件故障率和拆卸时间的产品拆卸性定量评估方法

  孙有朝;黄进永;王伟

  . 2010, 46(13): 147-154.

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  针对传统方法基于经验、没有考虑拆卸效率等问题，提出一种新的基于零件故障率和拆卸时间的产品拆卸性定量分析与评估方法。基于图论思想和面向对象技术，建立产品拆卸约束图信息模型，实现拆卸信息建模；根据最优拆卸序列和零件拆卸操作过程仿真，提出基于模特法的产品零件基本拆卸时间的确定方法；引入零件故障率权重，将基本拆卸时间转换为相对拆卸时间，建立基于零件故障率和拆卸时间的产品拆卸效率综合评价模型，实现产品拆卸性的定量分析与评估。结合实例说明了产品拆卸效率的计算方法以及基于产品拆卸效率的拆卸性定量评估方法和步骤。实例表明，该评估方法合理、可行，能有效地指导设计者优化产品拆卸性设计，具有良好的工程应用价值。
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  Top-Hat变换序列分析及在制件缺陷动检测中的应用

  毛锋;张树有

  . 2010, 46(13): 155-164.

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  制件中存在缺陷会带来很大的危害，通过对制件缺陷图像信号进行分析处理可以实现制件质量的自动监控。提出Top-Hat变换序列分析方法。在结构元素尺寸驱动下对信号进行迭代开运算和Top-Hat变换，构建信号的TH(Top-Hat变换)序列，同时获得信号的O-TH(Open-TopHat)分解树，并以树的叶子结点能量为幅值建立信号的对象分析谱。通过分析，得出信号中各种对象在谱中的行为，从而获得最佳结构元素尺寸和最佳分割阈值。然后用该最佳尺寸的结构元素对原信号进行Top-Hat变换，并以最佳阈值进行分割，准确地定位信号中目标的位置。在此基础上，通过比较TH序列中的元素与最佳变换结果，从而获得修补边界，并以此对初步分割结果进行目标尺寸扩展，得到完整的目标。最后，综合以上过程，给出基于Top-Hat变换序列分析的图像目标提取算法。方法在多种制件图像、各种缺陷类型中进行应用验证。结果表明，该方法通用性强，有很强的抗噪性和抗背景干扰能力，缺陷提取准确度高、鲁棒性好。
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  基于高层体系结构的复杂产品协同设计管理方法

  刘杰;周以齐;曲海明

  . 2010, 46(13): 165-171.

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  通过分析复杂产品在协同设计中面临的问题和高层体系结构(High level architecture, HLA)在工程协同设计领域的应用，实现对协同设计过程中用户间的互操作性、数据一致性和并发操作的管理，建立一种基于HLA的联邦式实时协同设计系统体系结构，定义三类具有不同权限和职能的联邦成员：设计邦员、管理邦员和监测邦员。在系统框架的基础上，基于HLA的时间管理服务给出协同设计过程中各邦员的时间管理策略和时间推进机制，并通过对设计邦员的操作命令进行分类和设置事件逻辑计数器，实现邦员间的互操作和设计邦员的动态注册，保证邦员操作事件的时序化和数据的一致性。同时，利用邦员的项目权限和所有权管理服务实现发言权控制，避免并发操作的发生。最后，以船舶为例给出原型系统具体应用方案。
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  线电极微幅振动电解线切割研究

  王少华;朱荻;曾永彬;朱兵

  . 2010, 46(13): 172-178.

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  通过线电极叠加轴向微振动促进加工间隙中的电解产物排除，改善线电极电解线切割的稳定性，提高加工效率。自行研制线电极微幅振动电解加工系统，阐述线电极微幅振动电解加工原理，建立加工间隙产物排除的数学模型，揭示线电极叠加轴向微幅振动是排除电解产物、更新电解液的有效途径之一，分析线电极叠加轴向微幅振动对加工稳定性、加工效率和加工精度的影响。针对线电极叠加轴向微幅振动和不叠加振动两种情况进行了对比试验，试验结果表明，振幅8 µm、频率10 Hz的振动参数有利于改善线电极电解线切割稳定性，提高加工效率。与不叠加振动相比，线电极叠加轴向微幅振动情况下，线电极电解线切割可以在较小的电压、脉冲宽度和较大的脉冲周期下稳定进行，有效地缩小切缝宽度，提高了加工精度。采用优化后的振动参数和加工参数，在不锈钢工件(0Cr18Ni9)上加工出12 µm的微缝以及形状复杂的微渐开线齿轮和微螺旋结构。
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  磷酸二氢钾晶体单点划痕试验研究

  鲁春朋;高航;王奔;郭东明;腾晓辑;康仁科;吴东江

  . 2010, 46(13): 179-185.

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  使用单颗粒划痕试验来研究磷酸二氢钾(Potassium dihydrogen phosphate, KDP)晶体摩擦磨损特性，同时采用高频记录仪对划痕过程中晶体的力学行为数据进行采集。利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察划痕的表面形貌并分析其去除机理。比较不同划痕方向的摩擦因数µ，结果表明µ是随着划痕位移s的增加而增加。当s<3 mm时，µ的增加比较平缓，此时晶体以塑性去除为主；当s>3 mm时，µ发生剧烈的振荡，此时晶体以脆性去除为主。不同划痕方向产生的沟槽侧向裂纹密度随着法向加载的增大而变得密集，最后出现破碎和崩裂，但是侧向裂纹扩展方向与划痕方向所成角度有所差异，这是KDP晶体复杂的滑移系造成的。为了观测划痕产生的亚表面损伤，试验使用截面抛光法和择优腐蚀法，并测定损伤层深度。结果表明，沿[100]晶向的划痕损伤深度最大，且基本上无波动；对于沿[110]和[120]的亚表面划痕损伤深度有很大的波动现象，但在初始划痕阶段沿[120]的划痕损伤深度相对较小。
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  超精密磨削加工表面形貌建模与仿真方法

  陈东祥;田延岭

  . 2010, 46(13): 186-191.

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  超精密磨削技术是实现微/纳米加工的主要手段。系统深入研究超精密磨削过程的机理，洞悉磨削加工表面生成的内涵，成为超精密磨削加工技术的重要研究内容之一。提出一种新型的超精密磨削加工表面生成方法。基于Johnson变换和线性滤波技术，给出砂轮表面形貌数字生成方法。该砂轮表面数值生成方法克服了利用试验测量砂轮表面形貌所得数据而带来的误差，提高了磨削加工表面仿真分析的准确性。根据磨削运动学，建立磨粒运动轨迹方程、相互干涉条件和有效磨粒确定方法。据此，给出超精密磨削加工表面生成算法。通过数值计算生成不同统计学特征的砂轮形貌，并得到不同加工参数下磨削表面的表面形貌，仿真结果验证了所给算法的正确性和有效性。
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  单晶硅二维超声振动辅助磨削技术的实现

  梁志强;王西彬;吴勇波;赵文祥;彭云峰;许卫星

  . 2010, 46(13): 192-198.

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  基于超声振动磨削能有效提高加工效率及加工表面质量的特性，通过设计具有伸缩和弯曲两种模态的压电陶瓷椭圆振子，实现了单晶硅二维椭圆振动磨削技术。对超声振子的振动特性进行检测，证实改变压电陶瓷两电极之间的交流信号相位差和电压幅值，可得到不同形状和振幅的椭圆振动。对单晶硅进行超声磨削与普通磨削的对比试验，结果表明二维振动磨削的磨削力大幅降低，表面粗糙度显著减小，表面质量明显提高，加工表面延性域去除比例增加。从而证实二维超声振动磨削方法能够实现高效率高质量单晶硅加工。