机械工程学报

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秦岩丁, 蔡卓丛, 申亚京, 韩建达

机械工程学报. 2024, 60(17): 1-21. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.001

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磁控式小型化医疗机器人能够被外部磁场隔空控制，在人体狭窄腔道内主动运动，检查并治疗人体深层的病变区域，在临床医疗领域具有巨大的潜力。根据尺度不同，磁控式小型化医疗机器人可分为厘米毫米尺度的胶囊机器人、毫米微米尺度的连续体机器人、微米纳米尺度的微型机器人。系统总结各自磁控原理、结构设计和潜在医疗应用，并综述最新研究进展。最后，展望磁控式小型化医疗机器人的未来研究方向，包括机器人材料的生物相容性，执行医疗任务的视觉反馈，多种医疗功能集成的小型化，运动控制的稳定性和鲁棒性。

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人工智能在机器人辅助手术中的应用

马伟佳, 朱小龙, 刘青瑶, 段星光, 李长胜

机械工程学报. 2024, 60(17): 22-39. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.022

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机器人辅助手术旨在通过机器人系统协助医生实施外科手术，近年来受到越来越多的关注。人工智能的快速发展加快了机器人辅助手术向微创、智能和自主化的方向发展。综述了人工智能在机器人辅助手术中的应用，从医学图像处理、手术规划与导航、手术机器人运动控制与决策三方面进行总结。借助人工智能技术，医学图像处理的应用使医生更准确地获取具有更高清晰度和更直观立体的影像数据，对病灶和组织进行准确的分割和对齐，以及自动识别和分析医学图像中的病变或异常区域。人工智能在手术规划与导航方面的应用使外科医生可以更准确地规划手术方案，并提供精确的导航引导。通过结合患者的个性化数据和医生丰富的手术经验，人工智能可以帮助医生预测手术风险，并为手术过程中的精确定位和灵巧操作提供实时指导。手术机器人运动控制与决策方面的应用使机器人在手术中能够更有效地执行任务，并做出智能化决策。人工智能算法可以实时分析手术场景的复杂信息，辅助机器人进行精细的运动控制。分析了人工智能在机器人辅助手术的发展机遇和挑战，以对未来人工智能对机器人辅助手术研究的指导和启发。

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面向NOTES手术的软镜操作机器人技术进展

王翔宇, 任帆, 刘冲, 许思昂, 王龙昕, 方勇纯, 于宁波, 韩建达

机械工程学报. 2024, 60(17): 40-62. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.040

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软式内窥镜(简称软镜)是实现经自然腔道内镜手术(Natural orifice transluminal endoscopic surgery, NOTES)的关键器械，由于柔性镜体本身所具有的安全性高、可达范围广和运动灵活等优势，软镜操作技术已经被应用在越来越多种类的外科手术中。考虑到人工操作过程中存在难度大、学习周期长、人力成本高、依赖临床经验和易受有害辐射等问题，研发并利用软镜操作机器人代替人工操作，可以实现更加安全、精准、智能的NOTES手术。旨在总结当前软镜操作机器人在建模、控制与规划方面的研究现状，探讨相关技术的研究趋势和面临的挑战。介绍了国内外代表性软镜操作机器人系统，总结了现有软镜操作机器人系统的运动特点。从模型、控制和规划三个角度对当前的软镜操作机器人技术进行了详尽的研究现状综述。总结和分析了当前研究内容中的不足和自主化软镜操作技术发展所面临的挑战，并对软镜操作机器人的进一步研究方向进行展望。

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面向眼内手术的主操作器设计与零力控制方法研究

宗俊杰, 杨洋, 王朝董, 郑昱, 林闯, 杨斯钦, 广晨汉

机械工程学报. 2024, 60(17): 63-71. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.063

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以视网膜血管注药为代表的眼内手术需要医生在眼内狭小空间中实现长时间、微米级精准操作。受限于医生手部的生理性颤抖、力感知能力，目前这一术式难以应用于临床实践。主从式手术机器人为解决此问题提供了可行途径，该方法中医生通过主操作器控制从机器人完成手术，可规避前述不足对手术效果的影响。但常用的主操作器面向的是通用环境，自由度类型、控制方法均不符合眼内手术的应用场景，导致医生学习成本过高。针对此问题，提出一种面向眼内手术的主操作器，进行了构型和结构设计、样机制作和装配，并完成了对主操作器的动力学参数辨识和基于转矩控制的零力控制算法设计与验证。

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适应性气管支架植入机器人系统设计与验证

李英田, 童鑫, 陈星宇, 莫菲, 孙众卿, 高兴, 王磊, 周小虎

机械工程学报. 2024, 60(17): 72-79. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.072

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提出了一种气管支架的设计与制备方法以从原理上适应气管的自体差异与病变引发的结构差异，并为支架设计了软-硬可变特性以满足支架植入前后不同的刚度需求。设计了支架递入装置，通过球囊膨胀改变支架形态，保障支架在气管中的适应性变形，并为用于树脂固化的光纤预留了递送通道。设计了移动平台与五轴机械臂，为递送装置与支架提供大范围空间运动与精细递送操作的能力。集成各组件完成了适应性气管支架植入机器人系统的开发。提出了支架设计与受压变形分析理论，使用压力测试平台验证了理论的有效性并评估了支架的抗压性能。使用同一制备尺寸的支架，实现了支架对于不同内径与内结构腔道的适应性贴合。最后，使用支架植入机器人系统，在人体气管仿体中进行了气管支架植入术的实验验证。

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基于回转夹持递送的导管摩擦驱动研究

任宝珍, 赵岩, 张建华, 张建军

机械工程学报. 2024, 60(17): 80-90. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.080

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针对血管介入机器人中超长径比柔性导管的大行程高效递送操作问题，提出一种回转夹持连续递送的导管驱动模块，兼具卡爪结构可靠夹持与滚轮摩擦结构连续递送的优势。从微观角度分析回转夹持结构与导管之间的摩擦机制，得出接触面积、法向载荷、摩擦力的计算公式，从宏观角度分析导管径向夹紧变形量与法向载荷、摩擦力之间的关系，为实际手术中所需的递送力提供理论模型；通过ABAQUS仿真软件分析了回转夹持递送模块、单组滚轮结构、两组滚轮结构夹持导管时的接触应力与接触面积，比较三种结构夹持对导管的破坏程度；再次，通过搭建轴向抓取力，周向抓取力，轴向精度，周向精度检测平台，得到驱动模块的最大抓取力与精度；通过体外血管模型设置主动脉弓三个分支动脉的递送任务，通过与模拟往复拖拽结构实验对比，验证了回转夹持连续推捻模块对导管递送效率的提升。仿真和实验结果表明，提出的回转夹持连续递送的导管驱动模块夹持可靠，最大轴向推送力为26.6 N，最大旋转扭矩为30.56 mN·m，且递送效率优于往复拖拽结构，完成三个任务的平均时间分别减少了42.3%、27.6%、45.7%，轴向驱动精度为0.9 mm，旋转精度为0.63°，能满足手术要求。

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基于GSO-RF意图识别算法的全身助力外骨骼控制方法研究

袁小庆, 吴涛, 原勋, 王文东

机械工程学报. 2024, 60(17): 91-101. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.091

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针对现有助力外骨骼结构复杂、功能单一的问题，基于人体工学理论，设计一套上下肢一体化的全身助力外骨骼，提升助力效果。针对助力外骨骼运动意图识别准确率不高的问题，提出一种基于位姿信号、肌电信号的运动意图识别方法，引入有限状态机(Finite state machine, FSM)，设定三种穿戴者运动状态；使用随机森林(Random forest, RF)算法对人机交互信号进行分类，确定穿戴者运动意图；采用人工萤火虫优化算法(Glowworm swarm optimization, GSO)优化随机森林，提高分类准确率，减少分类时间。为提高外骨骼控制系统轨迹跟踪精确性，保证外骨骼运动柔顺性，提出一种基于导纳自适应模糊反演算法的运动控制策略。搭建外骨骼实验平台，进行运动意图识别和轨迹跟踪实验，结果表明运动意图识别准确率可达96.6%，且实时性较好，提出的控制策略有效可行，轨迹跟踪效果较好。通过助力效能实验证明外骨骼的助力性能良好。

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一种人机共融的手指外骨骼机器人设计与验证

于金须, 闫建华, 王孝冉, 张立杰, 谢平, 李永泉

机械工程学报. 2024, 60(17): 102-110. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.102

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手指外骨骼机器人是一种手部康复训练装置，传统的连杆型手指外骨骼机器人通常只考虑远指关节的末端轨迹重合度，未考虑掌指关节和指间关节的末端轨迹，无法保证手指能够自然的屈伸，存在舒适性和安全性问题。基于人机共融外骨骼机构构型综合方法，建立了人机构型的约束方程，提出了人机共融设计方法，认为外骨骼机器人在穿戴后与手指共融为一个整体机构。设计了自适应角度采集设备进行了数据采集实验，并拟合出2个指关节关联性函数，将其引入人机构型约束方程，通过粒子群算法求解并优化了尺度参数，完成人机共融外骨骼机器人设计并仿真分析了其工作空间。搭建了外骨骼机器人样机并进行了实验，结果显示机器人样机具备人机共融特性，能够很好地拟合三关节末端的轨迹，证明了设计方法的有效性。

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面向多关节训练的并联柔索驱动下肢康复机器人设计与分析

张禹泽, 赵竞夫, 赵振伟, 康荣杰, 戴建生, 宋智斌

机械工程学报. 2024, 60(17): 111-122. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.111

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目前我国康复需求巨大，并呈现持续增长趋势，康复机器人是解决这一问题的重要手段。针对现有下肢康复机器人在人机交互、训练方式及经济性等方面的局限，提出了一种采用柔索机构的并联柔索驱动下肢康复机器人，通过四根并联分布的柔索实现对使用者下肢大范围被动训练运动。建立了该机器人的运动学、静力学模型，并对柔索驱动中的滑轮摩擦力进行了建模与辨识。针对使用者的每次使用所处位置不确定的问题，提出了一种无需借助外部设备的使用者位置自主辨识方法。基于位置辨识，该机器人对使用者康复训练参数进行适应性调整，以实现精确康复策略。搭建了实验平台，通过实验验证了使用者位置自主辨识的可行性，并探究了关节力矩以及受力的规律，检验了下肢康复机器人被动训练的准确性。

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并联腕康复机器人的设计与运动学性能评价

张雷雨, 常雅威, 俞振东, 于洋, 李剑锋, 张斐然

机械工程学报. 2024, 60(17): 123-132. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.123

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中国脑卒中患者数量的巨幅增长且后遗症对患者生活质量带来严重影响，尤其手功能丧失最为突出，给社会经济带来巨大负担。因此，研发了人-机-环境高度融合的并联腕康复机器人，借助定制的直线推杆，具备良好的穿戴舒适性、承载性和高运动精度，能够适应腕关节运动轴线错位。基于腕关节生理体征、康复训练需求、运动学特征和可穿戴性，进行并联腕康复机构的构型综合，优选出2-S$\underline{\mathrm{P}}$U/RR并联构型，研制结构紧凑、运动精确及高支撑刚度的并联腕康复机器人样机。建立该康复机构的运动学模型，进行可操作度、灵巧性、刚度分析和运动学性能评价。分析结果表明：该并联机构能够满足康复运动的自由度需求，且运动平滑无突变，在康复运动范围内，不存在奇异位形，且具有良好的可操作性、灵巧性和各向同性。

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面向骨折复位手术的冗余并联机构：设计、建模与性能分析

梁旭, 张建勇, 李国涛, 苏婷婷, 何广平, 侯增广

机械工程学报. 2024, 60(17): 133-146. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.133

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针对并联骨科机器人在微创骨折复位手术中工作空间相对较小、规避奇异位形能力相对较弱等问题，提出一种基于Gough-Stewart平台(Gough-Stewart parallel mechanism, GSPM)的新型运动学冗余并联机构。对所提新型冗余并联机构进行了介绍，建立了该新型机构的运动学模型，并对其工作空间进行了仿真。基于三点法构建了维度齐次雅可比矩阵，比较了该新型并联机构和GSPM的灵巧性与奇异性。采用多变量多目标优化方法对所提出的新型并联机构的几何参数进行了优化。最后，在3D打印样机上进行了实验，实验结果表明：相比GSPM，新型并联机构的工作空间体积扩展了273.5%，且灵巧性更优，验证了仿真和分析方法的有效性。

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可用于微创手术的毫米级微小并联机器人的设计、制造及实现

田波, 娄军强, 沈家旭, 柳丽, 陈特欢, 李国平, 魏燕定

机械工程学报. 2024, 60(17): 147-155. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.147

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压电驱动的并联机构具有精度高、刚度大及动态特性好的优点，可实现结构小型化，在微创手术操作领域具有广阔应用前景。提出了一种可用于微创手术的毫米级压电驱动并联机器人。所设计微小机器人由两片压电双晶片驱动，通过设计仿蜻蜓扑翼四杆放大机构将致动器的微小驱动位移转化为末端基臂杆的大范围转动，引入平行四杆机构提高机器人的运动刚度和稳定性。建立了机器人速度雅可比矩阵，通过分析灵巧度和全域性能等运动传递指标对机器人杆件尺寸进行优化。提出基于智能复合微结构的激光微加工和多层复合层压工艺，实现了微小机器人从复杂三维空间多杆件结构到多层材料平面加工、层压、释放及装配的一体化制造。微小机器人整体尺寸为21 mm×26 mm×5.6 mm，质量为3.05 g(包含压电双晶片)。搭建实验平台开环测试了微小机器人在重复跟踪水平直线、竖直直线、圆及正弦轨迹下的运动性能。在55 V电压激励下，实测机器人在开环重复跟踪水平和竖直直线的运动行程、相对误差、准确度均方根误差和重复度均方根误差分别为2.12 mm，0.93%，19.7 μm±0.5 μm，8.5 μm±0.4 μm和2.01 mm，0.52%，10.5 μm±0.4 μm，4.9 μm±0.2 μm。实验证实了所设计微小并联机器人具有良好的轨迹跟踪精度和重复定位精度。

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紧凑型刚柔耦合腰部康复机器人设计与分析

郑思远, 田俊杰, 王立鹏, 刘世创, 王洪波, 牛建业

机械工程学报. 2024, 60(17): 156-166. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.156

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腰椎间盘突出等腰部疾病多由脊柱失稳所致，从该致病成因出发，基于中医“椎曲论”提出一种新型腰部康复机器人。首先，为面向腰部疾病临床康复需求，机器人采用刚柔耦合的结构形式，其主要包括由一组柔性驱动器构成的柔性曲度拟合机构和基于3-PRS并联机构的刚性并联调姿机构，可实现腰椎曲度的精准调节；并基于模块化、小型化设计理念，将各模块紧凑布置，便于在家庭中使用。其次，为确保多柔性驱动器末端拟合曲线的平滑性，计算在不同曲率时各单体驱动器伸长量间的关系。之后，考虑纤维嵌入式气动肌肉的结构特点，建立柔性驱动器的静态数学模型，并基于螺旋理论求解3-PRS并联机构的位置反解。最后，开展柔性驱动器静态特性试验与并联机构运动性能试验，并通过人机交互力与肌电信号的采集、分析，对机器人的康复性能进行评估。结果表明，该腰部康复机器人能够实现预定的康复功能，是一款应用前景良好的腰部康复设备。

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基于增量谐波平衡法的一维强非线性多自由度波动问题算法研究

王鸿宇, 王雪峰, 赵剑, 张健, 黄毓

机械工程学报. 2024, 60(17): 167-178. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.167

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针对采用高阶基函数的增量谐波平衡法(Incremental harmonic balance, IHB)在分析多自由度非线性介质的带隙性质时存在计算量大且不易收敛的问题，提出一种改进的IHB方法以高效求解外部激励确定情况下频率已知而波矢未知的非线性波动问题。该方法将原始波动方程转化为具有任意自由度和任意阶数基函数的时滞微分方程(Delay differential equation, DDE)，并构造Jacobian矩阵的解析式，利用快速傅里叶变换(Fast Fourier transform, FFT)代替数值积分，并通过收敛性分析确定最小展开阶数及稳态解。以分数非线性(基于赫兹接触定律的晶格)和立方非线性(基于立方弹簧的晶格)模型为例，分析晶格结构的带隙性质。结果表明，当系统处于强非线性时，采用高阶基函数才可获得收敛的稳态解，且计算效率提高220余倍。已知频率计算波矢时的稳态解的收敛性高于已知波矢的情况。非线性强度可以调控带隙的频段和宽度，且非线性越强，带隙的调控范围越大。

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PSD引导的自适应频带划分方法及其在轴承故障诊断中的应用

汪煜坤, 易彩, 汪浩, 周秋阳, 冉乐, 王靖元

机械工程学报. 2024, 60(17): 179-193. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.179

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虽然频带划分方法在定位故障共振频带方面取得了很大的成就，但仍然存在共振频带定位不准确的问题。针对定位并提取轴承故障所产生的共振频带较难这一问题，提出一种自适应频带划分方法用于提取轴承故障产生的共振频带。该方法的核心是利用信号的功率谱密度(Power spectral density，PSD)与高斯核函数不断的进行迭代卷积，经过卷积后的PSD曲线会变得更加平滑，再以卷积后的局部极小值点作为自适应频谱划分的边界，随后利用平方包络谱谐波干扰比(Squared envelope spectrum harmonic-to-interference ratio，SESHIR)铺设多层次谱平面，以最大的平方包络谱谐波干扰比来确定共振频带，进行包络解调分析以提取故障特征。通过仿真和实验数据分析，证明该方法能够提取出共振频带，识别出轴承中的故障信息，比快速峭度谱(Fast kurtogram，FK)，Autogram以及变分模态分解(Variational mode decomposition，VMD)具有更加良好的性能。

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半主动三附气室空气弹簧吸振器特性分析

陈耿彪, 刘志文, 尹来容, 易继军, 张拓

机械工程学报. 2024, 60(17): 194-207. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.194

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为了克服被动吸振器吸振带宽窄的局限性，利用空气弹簧的变容积-变刚度特性，采用“复合频响曲线”法的半主动控制策略，设计出一种三附加气室空气弹簧吸振器。建立无源式三附加气室空气弹簧的非线性模型，通过线性化得到空气弹簧的系统传递函数，导出空气弹簧固有频率的解析表达。基于非线性空气弹簧模型，建立了有源式空气弹簧的开环和闭环(PI控制)气动伺服模型，并经过仿真观测了其变容积-变刚度特性。实验采用FFT算法获得激励频率的估计值，基于零极点匹配法设计出无限脉冲响应(Infinite impulse response，IIR)滤波器补偿网络以校正速度传感器带宽，验证了有源式三附加气室空气弹簧的吸振特性。实验结果表明，在有源环境下，通过实时改变附加气室的工作个数，实现了空气弹簧的固有频率有级可调，并跟随激励频率，拓展工作频带，被控对象在1～10 Hz内的共振被有效消除。

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基于障碍网络颗粒阻尼器的悬臂梁减振特性研究

蒋捷, 杨元龙, 强陈, 闫超群, 陈永辉, 夏兆旺, 昝浩

机械工程学报. 2024, 60(17): 208-222. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.208

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障碍网络颗粒阻尼器是一种在颗粒阻尼器中内置三维网络的减振装置，通过增加颗粒与网络的碰撞与摩擦改变颗粒阻尼器的耗能特性。为研究障碍网络颗粒阻尼器附着在结构上的中低频减振特性，首先在填充比90%及颗粒粒径为2 mm 条件下，试验研究了附加障碍网络颗粒阻尼器后的悬臂梁结构在20～800 Hz频段的振动特性。其次，测量了特定频带(20～800 Hz)和激励范围(1～10g)下颗粒阻尼器与障碍网络颗粒阻尼器的损耗因子。最后通过离散元仿真探明了三维网络对附加在悬臂梁上颗粒阻尼器的能量损耗和颗粒运动的影响。研究结果表明，三维网络对于不同振动情况下有不同的影响，就悬臂梁而言，在一阶共振峰处(20 Hz)的减振效果较差，而在二阶(185 Hz)及三阶(520 Hz)共振峰处减振效果明显优于颗粒阻尼器。其原因在于在低频段颗粒运动幅值较大，网络会阻碍的颗粒的运动导致耗能降低；而在中频段网络打破颗粒的团聚效应，使更多的颗粒参与到耗能过程中，有效提升了颗粒阻尼器的阻尼性能。

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斜杆拉簧负刚度机制的恒值准零刚度超低频隔振设计

赵峰, 秦浦, 杜文辽, 王才东, 曹树谦

机械工程学报. 2024, 60(17): 223-234. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.223

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准零刚度隔振器相比线性隔振器，具有宽频、低传递率的优良隔振性能，是一种应用前景较好的被动式隔振器。但单个静态平衡点的准零刚度隔振器在变承载质量隔振、大幅激励隔振方面存在问题，因此基于斜杆拉簧恒值负刚度机制构造了恒值准零刚度隔振器，推导出了恒值准零刚度、非恒值准零刚度、零刚度的参数条件，分析了参数影响下的准零刚度特性和规律。设计并制造了实验模型，根据恒值准零刚度参数条件装配实验模型，通过万能试验机获得了实验模型的力位移曲线，与理论预测值一致性较好，验证了静态分析理论。随后采用Polytec激光测振仪和振动台对恒值准零刚度实验模型开展了动态实验，获得的实验传递率与理论预测值一致性较好，具有起始隔振频率接近1 Hz的较宽频带和较低传递率幅值。

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3D打印中的分层计算研究进展

黄金杰, 赵欣

机械工程学报. 2024, 60(17): 235-262. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.235

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3D打印为产品设计和制造方式带来了新的变革，同时也给分层工艺规划带来了新的挑战。为了提升制造质量，首先对分层计算优化问题进行了回顾，并简要阐述了各种处理方法，特别关注了多自由度增材制造系统在3D打印分层制造中的优势。接着，围绕近年来3D打印分层计算领域取得的重要成果，从平面分层策略和非平面分层策略两个角度，分析了这些研究的目标、算法思想以及研究成果。然后，讨论了前沿3D打印技术的分层计算研究进展，特别是从闭环打印控制和新型制造两个方向，揭示了3D打印分层技术的最新发展。最后对这些研究成果进行总结，并结合当前的技术发展水平，从研究和应用角度提出了尚待解决的问题和未来的发展方向，以期进一步推动3D打印优化研究的持续发展。

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吸热墨水喷射3D打印实验平台研制与自制墨水打印试验研究

孙江涛, 张净凯, 程坦, 范志永, 叶春生, 蔡道生, 魏青松

机械工程学报. 2024, 60(17): 263-271. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.263

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基于吸热墨水喷射3D打印原理设计开发了实验平台，主要包括机械运动系统、喷头与供墨系统、粉床加热系统以及控制与软件系统，共四个子系统。实验平台能够对粉末床预热温度、移动加热灯功率与速度、喷墨密度等工艺过程参数进行控制，并借助红外热像仪能够实时监测粉床温度分布。在此基础之上，用商业水性黑色染料墨水与自制炭黑墨水进行了单层打印实验，发现在移动加热灯照射功率1 500 W、累计照射时间为25 s时，使用自制墨水用于打印可使成形区与非成形温度差达到46 ℃，而使用商业墨水的温度差为7.1 ℃，说明自制炭黑墨水能够显著增强高分子粉末吸收红外辐射能量的能力。该吸热墨水喷射3D打印实验平台可为新材料开发和新工艺探索提供开放式平台，并为其他类型3D打印实验平台的自主开发提供有益借鉴。

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(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)非对称混联机构末端约束及自由度分析

牟德君, 陈先岭, 常雪龙, 胡波

机械工程学报. 2024, 60(17): 272-282. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.272

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以往混联机构的研究未对其少自由度特性进行深度解析，针对其末端约束和自由度形态的认知尚存在不足。研究一种新型(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)机构的末端约束和自由度的求解问题，通过建立两个约束螺旋3系交集求解的解析模型求解该混联机构的末端约束。对该机构自由度组成原理进行了分析，将其末端约束求解问题转化为子机构末端约束螺旋系的交集求解问题。结合该混联机构子机构末端约束分布特点，对混联机构在不同几何条件下的末端约束和自由度性质进行了探讨。建立了2-UPU+SPR机构和2-UPU+RPS机构末端约束分布曲面和直母线的解析表达式，得到了一般和特殊位形下混联机构末端约束对应的螺旋轴线方程。给出了(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)机构的末端约束求解算例，获得了该机构在一般和特殊位形下的末端约束的空间分布情况。研究结果表明，一般位形下，(2-UPU+SPR)+(2-UPU+RPS)机构的末端约束为一个约束力螺旋；特殊位形下，机构的末端平台约束为一个纯约束力或一个约束力偶。该研究对混联机构的末端约束求解提供了借鉴，为混联机构深层次研究奠定一定基础，同时也提供了求解螺旋系交集的新思路。

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高维数据自适应降维方法

段书用, 杨建华, 韩旭, 刘桂荣

机械工程学报. 2024, 60(17): 283-296. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.283

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针对复杂装备及结构中高维信息导致的反求设计、优化设计、可靠性设计与分析时计算难度大、计算效率和精度低等问题，提出高维数据自适应降维方法—引导约束自编码降维方法。该方法基于主成分分析法能根据高维数据的相关性得到高质量的线性低维数据，与无监督训练的自编码器具有对降维数据质量自我重构的特点，提出正交引导和正交约束的双重策略，对自编码网络进行无监督训练，以达到高精度、高效率降维的目的。该方法主要有以下策略：首先利用主成分分析法快速得到由特征向量构造而成的具有正交特性的投影矩阵，然后将其用于预设自编码器中的可训练参数，以保证初始训练参数的正交性；其次在自编码器训练中继续施加权值正交约束即无相关性特征约束，以减少信息的冗余从而保证低维数据的独立性；同时，施加单位范数约束以避免梯度消失，最终得到具有高度正交特性的降维特征。为验证该方法的有效性，将该方法用于碳钎维和玻璃纤维混合铺层的复合材料层合板的材料参数反求，通过参数反求的精度来评估不同降维方法的性能。研究结果表明，该方法可高效的得到高质量的线性及非线性降维信息，有效克服了主成分分析法仅可实现高维信息的线性降维和标准自编码器降维数据精度低的缺点，并且显著提高了复合材料层合板的参数反求精度。

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基于可供性推理的人机协作拆卸序列规划方法

喻惟刚, 文思捷, 李建军, 李心雨

机械工程学报. 2024, 60(17): 297-309. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.297

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人机协作拆卸过程中存在多机争抢拆卸工具以及人为变动拆卸操作等扰动现象，致使当前工序所需工具缺失或被占用，缺乏灵活应对策略将使机器人长时间等待工具，降低人机协作拆卸效率。因此，提高机器人对当前拆卸场景的认知能力，识别出场景中可替代的工具，提供工具替代方案，对于增强人机协作拆卸抗干扰能力、提高拆卸效率，有着重要意义。对此，提出一种基于可供性推理的人机协作拆卸序列规划方法。利用产品结构数据以及操作工艺文档建立知识图谱，为人机协作拆卸任务提供操作信息以及序列信息；针对出现工具缺失的工序，提出面向人机协作拆卸视觉场景的可供性推理方法，为当前工序推荐可替代工具；提出基于可供性推理的人机协作拆卸序列规划方法，在工具有替换的情况下对原始序列进行优化，降低人机协作拆卸总时间。以新能源汽车动力电池人机协作拆卸作为实验场景，开展了可供性检测和拆卸序列优化实验。实验结果表明，所提出的方法能够在工具被占用的情况下准确提供工具替代方案，有效减少拆卸操作所需时间，从而提高了人机协作拆卸的抗干扰能力和效率。

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平板电极电场驱动多喷头喷射高效微3D打印方法和规律研究

侯佳奇, 张广明, 于志浩, 李印, 马令轩, 韩志峰, 石凯, 郭辰旭, 兰红波

机械工程学报. 2024, 60(17): 310-320. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.310

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电流体动力喷射打印较低的效率已成为制约其从实验室走向广泛工业化应用的主要技术瓶颈之一，针对这一挑战性难题，提出一种平板电极电场驱动多喷头喷射高效微3D打印新工艺，论述了平板电极电场驱动多喷头喷射高效微3D打印的基本原理。搭建一种阵列化喷头制造装置，实现高精度阵列化喷头的快速制造；利用COMSOL仿真软件，分析了阵列化喷头的电场分布以及喷嘴间的高度差、内径差等对电场强度的影响；通过实验，揭示了主要工艺参数(施加电压、气压、打印速度)对于打印精度(线宽)和一致性的影响规律；最后，基于提出新方法并结合优化的工艺参数，分别使用单/双/三喷嘴喷头制造了面积80 mm×80 mm，周期500 μm，线宽20 μm的透明电极，分别耗时86.1 min、45.2 min、29.1 min，并对其光电性能进行测量和表征，网栅透光率(波长550 nm)分别为91.14%、91.07%、90.43%，相应的方阻分别为4.07 Ω/sp、3.85 Ω/sp、3.47 Ω/sp，在不牺牲光电性能的前提下，大幅提高了生产效率。研究结果显示，提出的平板电极电场驱动多喷头喷射微3D打印为大面积微结构高效低成本制造提供了一种具有工业应用前景的全新解决方案。

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喷墨打印成形固体氧化物燃料电池复合陶瓷阴极及其电化学性能研究

王煊, 熊鼎宇, 屈飘, 刘长勇, 陈张伟

机械工程学报. 2024, 60(17): 321-329. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.321

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本研究制备了一种镧锶钴铁-钨酸钇(LSCF-YWO)复合阴极陶瓷墨水，并对其各项性能进行了表征和优化，从而获得优异的流变特性和喷墨打印性能。通过对喷墨打印技术工艺参数的研究，成功打印制造获得了表面形貌优异的LSCF-YWO阴极层。通过平衡阴极层和GDC层之间的热膨胀系数不均矛盾，有效解决了固体氧化物燃料电池(Solid oxide fuel cell, SOFC)运行过程中阴极开裂和分层的难题，使SOFC的电化学性能得到大幅提升。基于热重分析制订阴极层烧结工艺，可进一步避免烧结后阴极表面裂纹的产生，从而制造出表面形貌优异的阴极。增加阴极层的打印厚度可进一步提高SOFC的功率密度。在打印层数为30层，即层厚达到15.32 μm时，SOFC的最大功率密度达到1149.8 mW·cm^-2。本研究对喷墨打印制造高性能SOFC电极组件具有一定指导意义。

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基于浆料直写成形的多孔氧化铝陶瓷孔隙率与抗弯强度的相关性研究

张驰, 刘富初, 穆英朋, 吴丁一, 吴明, 林雨霄, 韩光超, 樊自田

机械工程学报. 2024, 60(17): 330-338. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.330

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浆料直写成形制备多孔氧化铝陶瓷的孔隙率和抗弯强度是一对具有负相关性的性能指标，但在保温隔热、过滤催化等领域需要制备高孔隙率、高抗弯强度的多孔陶瓷以满足服役要求。以挤出头内径、填充率、挤出丝层高/挤出头内径和打印速度四个关键工艺参数设计正交实验，通过对不同参数条件下成形的多孔陶瓷孔隙率和抗弯强度的测量与统计，分析了工艺参数对孔隙率和抗弯强度的影响规律，确定了孔隙率与抗弯强度的关联数学方程。结果表明，填充率对多孔陶瓷的孔隙率和抗弯强度影响最为显著，当填充率较小时，相邻挤出丝之间跨距较大，形成的宏观结构孔尺寸较大，此时样品的孔隙率大、强度低。当挤出头内径为0.41 mm、填充率为50%、挤出丝层高/挤出头内径为60%、打印速度为1 200 mm/min 时，陶瓷样件具有较高的孔隙率 (66.32% ± 1.12%) 和抗弯强度 (10.54 MPa ± 0.32 MPa)，且孔隙率和抗弯强度之间存在良好的相关性，实现了高孔隙率、高抗弯强度的多孔陶瓷制备，为3D打印成形高孔隙率和高强度的复杂多孔陶瓷提供了一定的参考依据。

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基于知识超图的产品色彩情感设计

丁满, 孙鸣宇, 张新新, 冯光宇

机械工程学报. 2024, 60(17): 339-348. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.339

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针对现阶段产品色彩情感设计中多元色彩碰撞困难，色彩贡献值计算模糊，色彩协同机制难以模拟等问题，提出一种基于知识超图的产品色彩情感设计方法。首先采用主题网络爬虫与自然语义分词处理等技术构建产品色彩情感数据集；然后构建基于RotatE知识图谱的产品色彩情感意象关联模型；随后引用超图技术，构建基于知识超图的产品色彩情感设计模型，并以斯坦纳树方法可视化，实现产品色彩与用户情感间复杂动态关联关系的结构化与外显化表达。最后以真空吸尘器色彩设计为例，验证所提方法的有效性与适用性。

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基于游动矢量球头立铣刀刃磨研究

张富能, 林志伟, 薛勇, 李坰其, 傅建中

机械工程学报. 2024, 60(17): 349-356. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.349

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以“S”形等导程螺旋线建立球头立铣刀刃口曲线，以刃口曲线为磨削依据，提出以刃口曲线上磨削点的三个游动正交矢量为参考坐标系规划砂轮磨削轨迹的磨削方案。在此基础上，建立具有法前角的前刀面以及后刀面的磨削数学模型，通过求取磨削过程中任意时刻磨削点的游动正交矢量，利用偏心法求取球头立铣刀前刀面磨削深度。以磨削点的游动正交矢量、前刀面法向前角以及前刀面各磨削点对应深度来规划砂轮磨削前刀面的位姿，以磨削点的游动正交矢量、后刀面法向角度以及后刀面各磨削点对应宽度来规划砂轮磨削后刀面的位姿，最终遍历整个刃口曲线形成砂轮磨削铣刀的运动轨迹。利用五轴磨床对建立的铣刀模型进行实际加工，实验结果显示球头铣刀各结构参数误差均能保证在5%以内，验证了砂轮磨削轨迹模型的准确性，为球头立铣刀的磨削建立理论基础。

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飞秒激光加工液体火箭发动机喷注部件无锥度微孔试验研究

周熙杰, 谢合瑞, 徐静吉, 崔健磊, 梅雪松

机械工程学报. 2024, 60(17): 357-366. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.357

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为了提高液体火箭发动机喷注部件微孔加工质量，完全消除孔壁锥度，提出了倾斜工件改变激光与孔壁入射角的旋转钻孔方法，设计搭建了工件空间调控的装置平台，研究了激光倾斜角度和激光入射方位对微孔尺寸与结构形貌的影响，探究了倾斜加工直孔孔型的演变过程，并针对离心式喷嘴切向孔开发出一套完整的定孔径、定锥度倾斜工件旋转钻孔的工艺。结果表明，进行激光倾斜加工时需要保证激光光轴和工件旋转轴共面，否则会产生孔形曲线误差；通过调整工件倾斜角度可控制钻孔锥度，调整激光焦点相对工件表面旋转中心的距离可控制钻孔半径。该方法实现了孔深4.5 mm，深径比10∶1的大深径比无锥度微孔加工，加工质量较好，孔口和孔壁无明显热影响区和重铸层，可满足液体火箭发动机离心式喷嘴切向孔的可控高质量加工要求。

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FeCoNiCrAl_x高熵合金铣削表面质量影响因素实验研究

温雪龙, 赵正豪, 巩亚东, 李俊鹏

机械工程学报. 2024, 60(17): 367-378. https://doi.org/10.3901/JME.2024.17.367

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目前对于高熵合金的加工工艺研究多集中在非机械加工工艺方面，针对高熵合金的铣削加工研究还比较少。为获得高表面质量高熵合金零件，开展FeCoNiCrAl_x高熵合金铣削机理及表面质量影响因素实验研究，探寻铣削方式、工艺参数、刀具类型、元素含量对高熵合金表面粗糙度及表面形貌的影响规律，找到可以获得较高表面质量的工艺参数，建立表面粗糙度回归模型，同时对比高熵合金加工前后的表面硬度，研究高熵合金的加工硬化现象。实验结果表明：FeCoNiCrAl_0.1和FeCoNiCrAl_0.5高熵合金在铣削过程发生塑性变形。随着转速提高、进给速度降低与铣削深度减小，高熵合金表面质量变好。相同工艺参数下侧铣加工的表面质量要优于槽铣加工，HMX涂层刀具铣削高熵合金的表面质量好于SGS涂层刀具。FeCoNiCrAl_0.5高熵合金在相同加工参数下表面质量高于FeCoNiCrAl_0.1，且铣削参数对两种合金的表面硬度无明显影响规律，但两种合金的表面硬度在铣削后都有明显的提高。通过高熵合金铣削加工实验研究获得的高表面质量高熵合金的铣削工艺优化参数为高熵合金的工程应用提供数据支撑。

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刊出日期：2024-09-05

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