机械工程学报

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刘大炜;王立平;李铁民;汤立民;彭雨

. 2012, 48(1): 1-6.

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利用冗余支链测量信息，对一类带冗余支链并联机器的运动学参数进行自标定。通过矢量闭环微分法，建立冗余支链运动学误差模型，并通过多个位姿处误差传递矩阵的组合，得到自标定的辨识雅可比矩阵。针对部分运动学参数误差辨识性差的问题，提出一种基于辨识雅可比矩阵各列线性相关性分析的辨识性分析方法，得到可辨识的运动学参数误差线性耦合式，并简化误差辨识方程使辨识性提高。最后利用冗余支链角度编码器测量信息，完成一个4RRR冗余并联机器的运动学自标定，仿真结果显示，基于冗余支链的运动学自标定能有效提高冗余支链和机构终端运动精度。

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一种冗余驱动协调机构的偏载稳定性分析

孙卫东;王皓;赵勇

. 2012, 48(1): 7-12.

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针对冗余重载驱动器存在偏载的问题，提出一种具备偏载自协调的冗余驱动机构设计方案。根据机构几何约束关系，建立该机构的位置约束方程及速度、加速度关系式，运用虚功形式的动力学普遍方程，建立该机构的动力学模型。在此基础上，运用拉格朗日定理和李雅普诺夫稳定性理论，对该机构的偏载稳定性进行分析，得出了该机构稳定性与协调杆结构弯曲角之间的关系。基于所建立的动力学模型，运用相平面法，及对驱动器偏载率进行分析，分析了某一具体机构实例的偏载稳定性，分析结果验证了理论结果的正确性。研究结果表明，在协调杆结构弯曲角大于180°的条件下，当受扰动产生偏载时，该机构可以通过自动调节，保持其运动稳定性，且具有回复到匀载状态的趋势。

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考虑振动抑制的多冗余度特种操作机器人轨迹优化方法

邵君奕;张传清;刘召;陈恳

. 2012, 48(1): 13-18.

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为了实现复杂曲管内曲面的自动化喷涂作业，设计多自由度的冗余度特种操作机器人。而多冗余度机器人系统刚度低，使得机器人在喷涂作业过程中出现振动，末端轨迹跟踪误差加大，降低了涂层质量。为此，通过分析冗余度机器人带有弹性变形影响的动力学方程，提出一种利用冗余自由度对机器人关节空间作业轨迹进行优化的新方法，实现了机器人在作业过程中的振动抑制，并且满足复杂三维工作空间约束。在试验中应用此方法，机器人在运动过程中既满足复杂的工作约束，同时减少了末端的振动，实现了振动抑制，证明了该优化方法的有效性。

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混联仿生机器狗构型研究

姜铭;李鹭扬

. 2012, 48(1): 19-24.

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仿生机器人研究是机器人学研究的热点之一，由于多年的进化，生物的各关节运动一般难以用机械结构完全实现。为克服目前仿生机器人普遍存在的刚度低、肢体功能弱等不足，以机器狗为研究对象，结合狗的基本行为特征和各关节的生理结构，将各关节的主要功能进行排序，并提出重要性/权重法作为机器狗设计中简化各运动关节的依据；据此分别运用并联双自由度转动机构RGRR-Ⅰ、RGRR-Ⅱ以及单自由度转动机构设计机器狗的各关节，并构造出24自由度的混联机器狗。所设计的混联机器狗具有结构简单、制造容易、刚度强、控制便捷、肢体运动灵活等优点。此研究思路和方法，对其他类型的仿生机器人设计有借鉴作用。

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大行程精密定位超磁致伸缩驱动器的设计与控制

杨斌堂;徐彭有;孟光;杨德华;许文秉;谭先涛

. 2012, 48(1): 25-31.

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实现一种新型的固态智能材料驱动大行程精密驱动器的设计和控制。基于超磁致伸缩驱动原理和柔性铰链放大机构，采用非永磁和永磁偏置驱动器粗—精驱动组合设计，研制大行程精密超磁致伸缩组合驱动器。建立永磁偏置下的电磁、永磁复合磁场激励的驱动器位移控制系统传递函数模型，实现了粗、精分级精密定位控制方法。实现一套超磁致伸缩组合驱动器原型样机，并进行了精密定位驱动试验验证测试。试验结果证明系统模型的准确性和控制方法的有效性，样机驱动行程可达0.71 mm。并测得在温升负效应情况下，控制行程在0.6 mm范围内，所设计超磁致伸缩组合驱动器位移分辨率为±30 nm，驱动位移精度达±90 nm。研究成果可广泛用于基于固态智能材料驱动的大行程精密驱动装置的设计和实现。

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作平面运动滚子从动件形锁合凸轮机构的第Ⅱ类机构综合问题

常勇;杨富富

. 2012, 48(1): 39-46.

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形锁合凸轮机构在工程应用中具有广泛性和重要性，在综合的理论方法方面具有复杂性和特殊性。基于“浮动数轴”、“瞬时、整程区间套”等概念并通过引入“往程”、“返程”和“向径标刻线”等新概念，深入系统地讨论共轭、槽道和等径凸轮等形锁合凸轮机构的第Ⅱ类机构综合问题。研究结果表明：形锁合机构的综合，并非力锁合机构综合的简单组合、叠加，而是蕴含着诸多复杂深刻、特殊独到的异质性研究内涵。以最具典型性、代表性的等径凸轮机构为例，其在往、返程运动角和远、近休止角的内在规律性关系，运动学尺寸、行程与初始位置参数的内在特征关系，输出件返程角位移规律的求解，滚子中心容许选择区段、凸轮理论基圆半径许用取值范围确定等方面，都具有较力锁合凸轮机构来得复杂深刻、特殊独到的研究思想、方法和结论。给出等径凸轮机构的一个综合算例。

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基于联合运动规划的可变形履带机器人在线翻越楼梯控制方法

李楠;王明辉;马书根;李斌;王越超

. 2012, 48(1): 47-56.

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楼梯是室内环境中最典型的障碍物之一，其对执行废墟搜救任务的机器人的机动性能提出较高要求。针对机器人翻越楼梯过程中的攀爬能力和稳定性问题，提出一种基于实时状态预测的在线翻越楼梯控制方法，该方法不仅适用于常规机器人，同样适用于异构模块化可变形履带机器人。在对机器人翻越过程中的步态进行联合运动规划基础之上，利用传感器完成楼梯参数辨识，同时对机器人翻越楼梯的基本过程进行阶段划分，并进行运动学和准静态力学分析，针对翻越楼梯过程的各阶段建立模块联合运动协调准则、防止倾翻准则和防止干涉准则，实现机器人翻越楼梯运动的实时在线预测控制。基于可变形履带机器人Amoeba-II平台的翻越楼梯试验验证基于联合运动规划的在线翻越楼梯控制方法的有效性。

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基于混合群智能优化的机器人立体视觉标定

汪首坤;郭俊杰;王军政;邸智

. 2012, 48(1): 57-63.

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准确的立体视觉模型是机器人高精密视觉定位的基础，而传统的单一非线性优化算法难以实现稳定和高精度的机器人立体视觉标定。结合遗传算法全局搜索能力强和粒子群算法局部搜索能力强的特点，提出了一种基于混合群智能优化的机器人立体视觉三步标定方法。针对非线性视觉模型，标定第一步和第二步分别对两个摄像机模型单独作线性初值求解和初次非线性优化，第三步对双目立体视觉模型作联合非线性优化，直接线性变换、遗传算法、粒子群算法分别作用于标定的三个步骤，每一步计算的结果被用作下一步的初始化。仿真试验分析与实际试验结果表明，相对于传统的优化标定方法和使用单一群智能优化算法的标定方法，该方法在噪声环境下具有更高的准确性和鲁棒性，能够更好满足机器人精密视觉操作的需求。

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双转子活塞发动机功率传输系统理论研究

邓豪;潘存云;徐海军;张湘

. 2012, 48(1): 64-71.

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为大幅度提高活塞式发动机的功率密度，提出一种双转子活塞发动机，其功率传输系统主要由能量转换组件和差速驱动组件构成。能量转换组件包含气缸体以及同轴交叉安装在气缸体中的两个转子，转子上均布有多个叶片活塞，两组叶片活塞在气缸体内相互间隔，与气缸体共同形成多个密闭的独立工作腔。差速驱动组件利用内摆线机构和曲柄摇杆机构组合而成，并负责约束气缸中的两个转子以周期性波动的角速度作差速转动，使得工作腔容积周期性地增大、减小。研究该发动机的构成及工作原理，得出发动机能量转换组件部分的基本几何关系及进、压、爆、排条件，推导出发动机排量和瞬时流量的计算公式，建立差速驱动组件部分的运动学模型并进行分析。分析结果表明，由于具备在主轴旋转一周过程中的较多的做功次数和动态扩容等特点，双转子活塞发动机理论上将比现有活塞式发动机的排量更大、功率密度更高、运转更为平稳。

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刚性质量对自由梁的弹粘塑性次撞击

杨钧;尹晓春;刘中华;骞朋波

. 2012, 48(1): 72-77.

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采用过应力模型，考虑局部撞击接触变形和自由梁动力响应中的材料应变率效应，提出能够考虑多次撞击接触行为的单轴压缩弹粘塑性局部接触变形模型，并结合有限差分方法和撞击与分离条件，研究刚性质量水平撞击弹粘塑性自由梁的全过程。研究发现，该水平撞击过程实际上是一个复杂的弹粘塑性次撞击过程，梁材料的应变率效应在局部接触变形行为和自由梁的动力响应行为中有着显著的作用，导致撞击力幅值、弹性变形和塑性变形等发生明显的变化。通过与三维动力有限元法的计算结果的比较表明，所提方法是合理的。

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振动状态下螺旋弹簧运动状态模型

王时龙;张明明;周杰;赵昱;李小勇;田波

. 2012, 48(1): 78-83.

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螺旋弹簧受到冲击载荷时，特别是多股螺旋弹簧，由于有质量、惯性，再加上自身的谐振，钢丝材料的弹性变形、多股螺旋弹簧中钢丝与钢丝之间的相对滑移而产生的摩擦阻力等诸多因素，簧圈的运动将变得非常复杂。基于此，建立一套用于检测振动状态下螺旋弹簧任意簧圈的运动状态模型，用于揭示振动状态下螺旋弹簧任意簧圈的位移、速度、加速度随时间的变化规律，特别是用于检测冲击载荷下多股螺旋弹簧的内部变形规律。试验结果表明：螺旋弹簧运动状态分析模型结合非接触多通道检测装置，可以成功地揭示振动状态下螺旋弹簧任意簧圈的运动状态随时间的变化规律，为螺旋弹簧的动态设计理论的建立提供了试验依据。

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肠道胶囊机器人的转向随动力学模型

张永顺;王楠;马壮

. 2012, 48(1): 84-90.

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为了实现旋进式胶囊机器人在充满黏性液体弯管内的无碰撞转弯行走，提出一种离散逼近的空间万向旋转磁场控制策略，采用与机器人相连的赖柴坐标系确定机器人的姿态，建立旋转磁场与机器人内驱动器耦合所产生的空间磁力矩模型和弯管液体环境对机器人转弯运动响应的流体力矩模型，对转弯过程中磁力矩和流体力矩的动态响应特性进行理论研究。结果表明在转弯过程中外旋转磁场使机器人发生随动效应，流体力矩使磁力矩诱导的摆动响应迅速衰减现象有利于机器人在弯曲环境内的非接触式驱动。

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具有外部扰动的参数未知漂浮基柔性空间机械臂的对角递归神经网络控制

黄登峰;陈力

. 2012, 48(1): 91-97.

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讨论载体位置和姿态均不受控情况下，存在外部扰动的参数未知漂浮基柔性空间机械臂系统关节运动的动力学控制问题。由假设模态法，利用拉格朗日方法建立漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。以此为基础，针对存在外部扰动和系统参数未知的情况，利用对角递归神经网络逼近柔性空间机械臂系统的逆动力学模型，设计基于对角递归神经网络的控制方案，以控制柔性空间机械臂的关节铰跟踪在关节空间的期望运动轨迹，同时能抑制柔性杆的振动。该方案由于没有专门设计主动控制器抑制柔性振动，因此不需要测量、反馈柔性振动模态，大大简化控制器的结构；无需预知控制对象的精确模型和系统参数，且能克服外部扰动的影响。计算机数值仿真证实所提方案的有效性和可行性。

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振动信号处理中数学形态滤波器频率响应特性研究

胡爱军;孙敬敬;向玲

. 2012, 48(1): 98-103.

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数学形态学滤波方法作为一种非线性的滤波工具拥有良好的消噪特性和低通特性，准确描述形态学滤波器特性是其应用的理论依据和前提条件。通过对给定的数学形态滤波器输入激励信号，得到了数学形态滤波器的频响特性，给出结构元素宽度与形态学组合滤波器截止频率的对应关系表。研究表明：在采样频率确定时，结构元素宽度越大，截止频率越低，截止频率随着结构元素宽度的增长而变小，并呈非线性关系。当结构元素宽度确定时，采样频率越大，截止频率越高，采样频率与截止频率成正比例变化。仿真分析表明，形态学组合滤波器具有更好的滤波效果，且具有保相的突出优点。形态学滤波器对实际故障信号的处理验证了结论的有效性。研究成果为形态学在振动信号处理中的应用提供了理论依据。

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非谐和水平振动输送机的物料运动分析

郭宝良;段志善;郑建校;何育民

. 2012, 48(1): 104-110.

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针对物料滑移理论中干摩擦驱动下物料输送速度计算困难的问题，通过分析基于物料滑移理论的非谐和水平振动输送机(以下简称输送机)物料运动过程，在分段建立并求解输送机和物料的动力学微分方程的基础上，改进干摩擦作用下物料相对于输送机的运动状态的判别条件及各状态之间的相互转变的判别条件，并进行基于Matlab数值仿真研究和试验研究。研究结果表明，由输送机速度或加速度的不对称使驱动物料运动的干摩擦力也不对称，从而使物料的运动也不对称，引起物料与输送机之间的相对运动；输送机两偏心质量的相位差为90°或270°、频率比为2时对物料输送最为有利；物料输送速度随着输送机低频轴频率的增加而增加，随着两偏心质量矩的增加而增加，但增加到一定程度时物料输送速度就不再增加；当两偏心质量矩之一确定时，二者之比存在最佳值使得物料输送速度达到最佳值。

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基于形状约束的双质量飞轮设计理论研究

宋立权;李亮;尹玉明;罗书明;田宏艳;樊照钟

. 2012, 48(1): 111-118.

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针对汽车双质量飞轮在低转矩小扭转角应具有柔性和高扭矩大扭转角应具有高反抗转矩的要求，结合产品研发的工程设计，对周向短弹簧双质量飞轮实现连续变刚度的设计目标进行研究与实践，创造性地提出通过改变初级飞轮内侧接触型线以构成形状约束，对构成形状约束曲线进行分析、比较，提出曲线的选择原则。构建基于形状约束的双质量飞轮转矩特性的分析模型，用仿真计算结果与试验进行对比。分析扭转刚度k1及k2对传动系一、二阶共振转速的影响，获得了k2对一阶共振转速影响不敏感、对二阶共振转速的影响明显的结论。在小扭转角条件下减小k1可使一阶共振转速远离怠速转速，对共振完全被隔离是有利的。对基于形状约束双质量飞轮所具有的扭转刚度及共振转速的力学特性进行实例分析，表明连续变刚度非线性扭矩特性具有优势，并能以简单的结构形式，实现兼顾转矩、刚度及隔振的设计期望。

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供应商参与下的产品方案多目标优化与多属性决策规划方法

安相华;冯毅雄;谭建荣

. 2012, 48(1): 119-127.

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针对现有供应商参与下的产品方案规划方法在零部件优化和供应商评价等两方面所存在的局限性，提出零部件多目标优化和供应商模糊动态多属性决策评价相集成的二阶段规划方法。建立以产品零部件组合方案的质量、成本和交货期等为目标的数学优化模型，以Epsilon策略和主导性约束处理机制对强度Pareto多目标进化算法进行适应性改进后用于对该优化模型进行求解并获得有限数量的Pareto最优解。引入傅里叶级数对伯努利预测模型的误差进行修正来提高预测精度，将修正的伯努利预测模型和模糊动态多属性决策模型相结合用于对Pareto最优解中包含的各零部件供应商进行评价，进而确定出各零部件的最佳供应商和最终的产品规划方案。以供应商参与下的空分设备研发过程作为实例，进行数值仿真计算，结果表明所提出方法具有可行性与有效性。

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连续体结构综合优化设计

傅晓锦

. 2012, 48(1): 128-134.

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以连续体为对象的优化解法所求得的优化结果，经常只是反映最佳传力途径的具有锯齿状边界的某个区域。基于此，将拓扑优化、形状优化、有限元分析和计算机辅助几何设计有机地集成在一起，提出一种基于隐含边界描述的水平集连续体结构拓扑和形状渐进综合优化设计方法，将形状导数与拉格朗日乘子法引入到优化敏度分析中，控制水平集函数的动态运动，从而间接地实现结构边界的动态演化；用B样条曲线曲面逼近拓扑优化后的结构体边界，将前一优化过程所得到的反映传力途径的概念解上升为具有光顺边界，并被参数化了的物理解；在形状优化中，设计变量定义为B样条曲线或曲面的控制顶点的运动，建立边界节点移动速度场计算方法和边界形状调整方法，寻求较快的搜索方向，以合理速度分布，使结构变为最佳。通过一个典型算例证明所研究方法的有效性。

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基于RAMP插值模型结合导重法求解拓扑优化问题

陈祥;刘辛军

. 2012, 48(1): 135-140.

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在连续体拓扑优化领域中，寻求更好的建模方法和更快的求解算法一直是研究人员的研究重点。为此，针对拓扑优化设计方法中的变密度法进行深入分析。研究和比较各向同性惩罚微结构法(Solid isotropic microstructure with penalization, SIMP)和材料属性有理近似模型(Rational approximation of material properties, RAMP)的优缺点后，建立基于RAMP法的优化模型，并结合导重法求解算法，用于结构拓扑优化领域。详细推导单、多工况的最小柔度拓扑优化的迭代公式，给出导重法各变量的物理定义，并分别对单工况和多工况两个典型算例进行拓扑优化计算。算例结果令人满意，同时表明RAMP插值模型结合导重法求解结构拓扑优化问题具有设计变量少、迭代次数少、收敛速度快、优化效率高的特点，验证了其可行性和高效性。

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多点二次曲面接触运动副的自由度方向识别方法

康葳蕤;黄正东;彭扬平

. 2012, 48(1): 141-149.

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在多点曲面接触形成的多自由度运动副中，由于未知运动的显式表达，跟踪动体轨迹较为困难。一般来说，根据旋量理论由接触关系可以确定运动的切空间，但难以确定切空间中哪些矢量代表运动副自由度的切矢量；这是因为切空间是由运动副自由度切矢量生成的线性空间，包含比实际自由度切矢量多得多的成员。提出一种二阶干涉检测方法在运动副切空间中识别其自由度切矢量的方法。使用识别出的自由度切矢量可以进一步跟踪三维装配模型中的邻近接触状态，为建立机械系统整体位姿空间打下基础。

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基于空间微四面体的异质材料零件建模方法

朱玉芳;杨继全;王昌明

. 2012, 48(1): 150-155.

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当前以均质材料为设计前提的大多数商用计算机辅助设计系统难以描述异质材料零件(Heterogeneous objects, HEO)的结构信息和材料信息，已有的HEO建模方法也基本上都缺少与通用的建模软件系统及快速成形设备的兼容性。基于此，以几何与材料信息基本映射关系为基础，提出一种基于常用数据格式——表面三角化数据(Stereo lithography, STL)以构建微四面体空间单元的HEO建模方法。通过建立实体、微四面体、STL面片、空间节点四者之间的对应关系，进行HEO实体模型的逐层分解，从而形成被离散化的微四面体空间单元网格节点，并赋予网格节点相应的材料信息，再根据单元网格节点的三维位置及材料值逐一计算各微四面体表面处的结构和材料分布，进而实现整个HEO边界曲面至内部的结构及材料设计，利用实例验证了该方法在复杂HEO设计方面的有效性。

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机械装配偏差源及其偏差传递机理分析

刘伟东;宁汝新;刘检华;蒋科

. 2012, 48(1): 156-168.

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产品装配偏差源和偏差传递机理分析，是装配精度预测的前项工作。综合影响装配功能的尺寸和形位精度、装夹定位精度信息，将刚性零件装配的偏差源分为几何位置偏差、几何形状偏差和装配位置偏差三类；进一步建立面向三类偏差源统一表达和评价的多元统计学模型，及其相对装配功能的正负累积性判断方法。基于偏差源统一表达，分析偏差在零件间、零件内两特征间的偏差传递和相互作用，提出偏差传递的三种偏差流；根据装配过程中是否存在装配间隙，将偏差流分为连续流和断续流两种。基于偏差有向图，对三种偏差流和配合偏差流进行表达；并建立面向整个产品偏差传递及装配功能表达的装配偏差有向图模型。结合某航天器装配为例，验证偏差源表达和偏差传递模型的有效性。

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单向C/E复合材料磨削制孔温度场模型的研究

鲍永杰;高航;马海龙;王奔;温泉

. 2012, 48(1): 169-176.

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碳纤维/树脂(Carbon/epoxy, C/E)复合材料制孔过程中，利用“以磨代钻”刀具的制孔质量较高，但由于树脂基体的热力学性能较差，温度场的分布对加工质量具有较大的影响。为研究磨削制孔过程中切削温度场的分布，在对材料热物理特性均匀化处理的基础上，利用有限差分法建立了三维制孔温度场模型，并利用试验对模型进行了试验验证。结果表明，利用所建模型计算所得加工过程中材料的温升情况、制孔出口温度的最大值以及出口温度场的分布均与实际情况具有较高的一致性，所建模型具有较高的精度及可信性。同时，出口温度场的分布呈椭圆形且椭圆的长轴与纤维方向一致。磨削制孔过程中温度场的研究，对确定磨削制孔过程中切削温度对加工缺陷的影响因素具有一定的指导作用，并为C/E复合材料“以磨代钻”制孔新工艺提供了理论依据。

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多轴加工系统闭链刚度场建模与刚度性能分析

闫蓉;陈威;彭芳瑜;林森;李斌

. 2012, 48(1): 177-184.

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在复杂曲面多轴加工中，刀具可以在一定范围内以不同姿态加工复杂曲面，刀具姿态的改变直接影响整体加工系统的综合刚度特性，从而影响到加工性能。建立与刀具位姿相关的综合刚度场模型，可用于分析整体加工系统的综合刚性分布规律。提出多轴加工系统刚度场半解析计算方法，其中针对机床运动轴及其传动部位、刀具、工件等关键部件的力学特性分别采用了雅可比矩阵法、点传递矩阵法、有限元法等方法建立相应的刚度矩阵，并根据多体小变形理论建立了多轴加工工艺系统闭链刚度场模型。根据该模型解耦得到三维空间的力椭球，从力椭球提取整体加工系统的刚度性能指标，绘制刚度性能等值线图，分析工作空间中多轴加工系统的刚度特性分布规律，可用于指导刀具运动规划。

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基于内置力执行器的铣削颤振的主动控制

乔晓利;祝长生

. 2012, 48(1): 185-192.

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高速加工中铣削颤振不仅降低工件的表面加工质量，严重时还会造成刀具或者其他加工部件的损坏，因此对电主轴铣削颤振进行控制具有重要的意义。为对电主轴铣削过程中的颤振进行有效控制,在双绕组无轴承感应电动机的基础上，提出一种具有内置力执行器的感应型高速电主轴结构，建立电主轴—刀具系统的有限元模型、动态铣削模型、双绕组感应型电主轴电磁力模型，在对具有内置力执行器的感应型高速电主轴电磁力进行解耦后，提出基于内置力执行器的电主轴铣削颤振的主动控制方案，通过仿真分析控制器的主要参数对电主轴铣削稳定性的影响。结果表明采用具有内置力执行器的感应型高速电主轴能够有效地提高电主轴铣削的稳定区域以及在抑制铣削颤振方面具有明显效果。

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2012年, 第48卷, 第1期　
刊出日期：2012-01-05

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