2025年, 第61卷, 第15期 
刊出日期:2025-08-05
  

  • 全选
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    特邀专辑:人本智造
  • 杨华勇, 王力翚, 王柏村, 郑湃, 冷杰武, 陶永, 刘庭煜, 黄思翰, 赵强强, 杨赓, 刘培基, 郭鑫, 周慧颖
    机械工程学报. 2025, 61(15): 1-3. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.001
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  • 综述
  • 张洁, 丁鹏飞, 王柏村, 张朋, 吕佑龙, 汪俊亮
    机械工程学报. 2025, 61(15): 4-20. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.004
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    欧盟工业5.0赋予了智能制造新的时代内涵——以人为本,促进了人本智造(以人为本的智能制造)的快速发展。作为人本智造的核心范式之一,人机协作已成为近年来工业制造领域的研究热点。因此,对人机协作的过去和未来进行全面分析:梳理人机关系发展与演变,探讨人机协作模式的迭代与融合,归纳人机协作在多个领域的典型应用,展望人机协作未来发展愿景与技术突破方向。从工业化发展历程与人机共情程度的耦合关联中,阐述人机关系的发展与演变过程。基于人机关系及其协作特点,对制造系统人机协作模式的迭代与融合进行分析与总结。归纳人机交互、人机协同和人机共生三种人机协作典型模式在产品装配、机器人控制、自主驾驶等领域的应用,讨论不同人机协作模式在实际应用中存在的不足与挑战。展望人机协作未来愿景与发展方向,探讨未来人机协作时代需要突破的新技术、新理论,以期促进制造系统人机协作迈向人本智造新的层级。
  • 王柏村, 宋词, 苑艺修, 周慧颖, 鲍劲松, 黄思翰, 刘蔚然, 刘庭煜, 阮兵, 陶飞, 谢海波, 杨华勇
    机械工程学报. 2025, 61(15): 21-39. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.021
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    在工业4.0迈向工业5.0的过程中,以人为本的智能制造(人本智造)是智能制造的创新发展范式,旨在以人的福祉为核心价值,重塑人在生产制造过程中的主体地位,推进未来工业迈向以人为本、可持续性、韧性。对人体运动行为进行分析,是理解人的运动意图,推动人本智造创新发展的关键。以面向人本智造的人体运动数字孪生研究为切入点,梳理人体运动建模、人体运动感知、人体运动分析等使能技术及其研究进展。重点围绕单元级、产线级、车间级三个维度,讨论人体运动数字孪生在人本智造领域的典型应用。最后,对面向人本智造的人体运动数字孪生进行展望。
  • 乔非, 刘鹃, 王冬源, 丁晨, 施嘉璇, 王俊凯, 马玉敏
    机械工程学报. 2025, 61(15): 40-56. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.040
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    工业5.0引领制造业向以人为本的智能制造(人本智造)变革,制造系统中不同岗位和角色的人展现出更多样化和更全面的操作、智能和社会属性。针对生产调度这一典型场景,在人-信息-物理生产系统(Human-cyber-physical production system, HCPPS)的语义下,定义感知层-认知层-决策层贯通的智造回路环,从环内操作人融合的适应性创新、环上决策人融合的智能化创新和环外社会人融合的可持续创新这三个角度,构建多层次人本融合框架;并分别提出面向操作人融合的适应性调度技术、面向决策人融合的人-机混合智能技术和面向社会人融合的可持续协同优化技术;最后,以飞机脉动总装线典型调度场景为案例,验证了所提技术的有效性,为实现工业5.0的人本智造提供理论和技术实践参考。
  • 刘庭煜, 翁陈熠, 王柏村, 郑湃, 赵强强, 王昊琪, 董元发, 庄存波, 冷杰武, 向峰, 陈成军, 周小舟, 李兴宇, 焦磊, 王晓宇, 倪中华
    机械工程学报. 2025, 61(15): 57-81. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.057
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    随着新一代信息技术与制造技术的持续深度融合,以人为中心的智能制造范式正在重塑传统工业生产模式,人体行为识别技术作为实现人本智造的关键使能技术,主要研究人体行为语义的智能识别与理解,展现出广阔应用前景。对工业场景中人体行为识别技术的发展现状、关键挑战与应用前景进行系统探讨,有助于推动人本智造的理论发展与创新实践。首先,以人体行为识别技术的发展脉络为基础,深入分析人体感知、行为建模和行为识别等核心技术的演进过程,为人体行为识别技术的工业化应用奠定技术基础;其次,针对工业场景的特殊需求,重点讨论多模态鲁棒感知系统、多尺度行为理解框架、融合意图理解的人机协同及工业场景的优化部署等关键技术的研究现状;在此基础上,对工业场景人体行为数据集进行系统化分析和质量评估,并重点阐述人体行为识别技术在生产安全管控、生产调度优化、工艺改进和行为改善等典型应用场景的实践进展;最后,结合空间智能、生理认知融合、多模态大语言模型等新兴技术,展望工业人体行为识别技术的未来发展方向。
  • 李骏, 郭喜锋, 赵武, 张凯, 于淼, 郭鑫
    机械工程学报. 2025, 61(15): 82-104. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.082
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    工业5.0强调人的核心地位,以人为本的理念在产品的设计、制造、运维、服务等各阶段都越来越受到关注。概念设计是产品生命周期的最早期阶段,其核心是由设计主体的创造性活动生成能满足人的个性化需求的概念方案,极大程度上决定了后续环节的创新水平和实施质量。以人为本的理念给产品设计提出了新的要求,传统以设计者为主体的概念设计模式需要向设计者、用户、机器共融的多设计主体模式转变。因此,将设计者的推理决策能力与用户的深度参与、机器的计算生成能力紧密融合,提出一种以人为本视角下,用户-设计者-机器多设计主体共融的产品概念设计模型与框架,旨在更好地为工业5.0下的人本智造服务。首先从影响因素、表现形式、主要特征三方面阐述以人为本的概念设计的独特内涵;然后融合概念设计中人的交互机制、人机协同机制以及设计过程运行机制,提出以人为本下多设计主体共融的概念设计“H(Human)-M(Machine)-D(Design)”模型,从用户和设计者、智能机器、设计过程的维度分析了其基本逻辑和运行原理;最后,建立以人为本的概念设计的总体实施框架,阐述了设计思维认知理解、设计主体协同交互、个性化知识服务、概念设计推理决策四类关键技术,为实现多设计主体共融的产品概念设计中的人-人协同、人-物协同、人-机协同提供支持。以某电梯的以人为本概念设计过程为案例对所提出模型和框架进行了应用验证。
  • 高晗, 蒲琪然, 赵永生, 张茂林, 吴紫涧, 程宝平, 王柏村
    机械工程学报. 2025, 61(15): 105-120. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.105
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    非侵入式脑机接口(Brain-computer interface, BCI)技术作为一种新兴的人机交互方式,在机器人控制领域展现了广阔的应用前景。首先概述其发展背景与重要性,并深入探讨脑电信号的生理基础,阐明脑电图(Electroencephalography, EEG)以其无创性和便捷性成为BCI系统的常用测量手段。随后,分析了典型BCI范式的优劣特点和适用场景——包括主动式如运动想象、反应式如稳态视觉诱发电位(Steady-state visual evoked potential, SSVEP)、事件相关电位P300,以及结合多种范式优势的混合范式,展示了这些范式如何实现复杂且高效的机器人控制任务。此外,系统地介绍了EEG信号采集、预处理及模式识别的关键步骤,强调了深度学习在提高解码精度方面的作用,同时也指出了其面临的挑战,如数据量需求大和模型解释性差。最后,总结了BCI技术的发展趋势和研究挑战,提出了推动非侵入式BCI技术在实际机器人控制应用中进一步发展的方向。综上所述,不仅对非侵入式BCI技术在机器人控制领域应用进行了探讨,还强调了该技术在未来可能带来的变革性影响,为后续研究提供参考和启发。
  • 陶永, 万嘉昊, 王田苗, 熊友军, 王柏村, 张文博, 邓昌义, 陶雨, 杨赓, 魏洪兴
    机械工程学报. 2025, 61(15): 121-147. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.121
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    当前人形机器人技术正在加速演进,已成为全球科技创新与产业升级的新高地。在“人本智造”理念下,人形机器人作为具身智能的重要代表,具有广阔的发展前景。针对人形机器人技术多学科交叉、体系复杂与高度集成的特点,结合该领域的最新研究成果与发展动态,综述人形机器人的技术现状及发展趋势。首先,介绍人形机器人的定义与发展历程,从技术水平、产业格局、政策支持等方面描述国内外现状,对比总结典型技术发展特征与产品特色。重点剖析了核心零部件、环境感知与场景理解、步态控制与灵巧操作、具身智能与大模型、人机共融与交互、操作系统与工具链等关键核心技术,讨论其实现途径与当前研究进展。进而,介绍人形机器人在特殊服役环境、智能制造、家庭及社会服务等领域的典型应用,并探讨其在新兴应用领域的拓展潜力。进一步,围绕技术瓶颈和应用难题,分析当前人形机器人发展面临的主要挑战。最后,针对以人形机器人为代表的具身智能在多模态垂直大模型、高算力仿真训练平台以及安全与伦理等方面的发展趋势进行了展望。希望在总结把握人形机器人前沿技术发展动态的同时,为相关研究人士提供参考与启发,助力推动我国人形机器人技术进步与产业化发展。
  • 人-机器人协作
  • 陶永, 谭栋华, 高赫, 万嘉昊, 王潇桐, 邓昌义, 魏洪兴, 王田苗
    机械工程学报. 2025, 61(15): 148-161. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.148
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    激光焊接已广泛应用于各个行业,而传统的人工示教或离线编程在面对工件形位差异时缺乏有效改进措施,人工修正过程既耗时又费力。面对高反光窄焊缝等复杂焊接场景时,噪声大且稳定性差,难以准确修正机器人的焊接轨迹从而影响焊接质量。因此,提出一种基于非刚性配准的面向高反光窄焊缝的协作机器人焊接轨迹修正方法。首先,提出了基于动态ROI预测的寻位方法,在人工引导的协作方式下通过线激光传感器获取实际工件的部分焊缝位置点;接着,提出一种优化后的WTo-CPD非刚性配准算法,密集的离线编程轨迹点集以稀疏的实际焊缝点为目标修正为新的密集轨迹点集。最后,试验验证了该方法在协作机器人焊接轨迹修正方面的有效性,在焊件存在0.3 mm内的随机误差下,该修正算法相比于Nonrigid-CPD算法、Bayesian-CPD算法收敛速度分别平均提高了27.16%与40.50%,并保证了平均误差控制在0.02 mm,最大误差小于0.21 mm,有效保证了焊接质量。
  • 沈昌杰, 程敏, 孙博林, 徐兵
    机械工程学报. 2025, 61(15): 162-173. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.162
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    针对多自由度液压双臂与人协作完成重载搬运任务中因闭链耦合和液压系统的非线性特性等产生的内力调控不准确、人机交互不协调,提出一种面向人机协作重载搬运的液压双臂人机协调控制方法。首先,在分析人机协作下闭链系统的运动状态与物体内力映射关系的基础上,基于模块化动力学模型对液压机械臂中耦合刚体和液压系统进一步解耦,实现双臂闭链强耦合系统的精细化建模。然后,结合导纳控制的动态柔顺性和基于双臂接触力最小化的内力优化方法设计人机协调控制方法,以保留操作意图的前提下,避免物体因接触力作用过大而遭到破坏。最后,基于模块化动力学模型设计底层运动控制器作为双臂人机协调控制的基础。结果表明,人机协调控制下的液压双臂可根据操作意图实时调整物体轨迹,还实现了闭链系统内力在不同方向上的主动调节,其中在x轴和z轴上的内力误差分别降低44.28%~82.46%和44.81%~53.69%。
  • 吕鸿昊, 诸正杰, 程宇航, 何平, 汪若菡, 陈富国, 杨华勇, 杨赓, 董娜
    机械工程学报. 2025, 61(15): 174-184. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.174
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    当前工业生产制造场景下,机器人感知单一、缺乏智能交互策略,导致安全事故频发,轻则致伤重则致死。面向未来工厂智能制造场景下的多源感知及安全交互需求,提出一种工业机器人“在体感知”与“离体感知”相结合的主动安全作业系统。通过大范围视觉监控、近距离迫近感知以及碰撞检测构建多源感知系统,对机器人作业环境中的操作者与机器人之间的接近信号及接触信号处理分析,设计人机共享控制策略,实现机器人的主动安全作业规划;进一步划分传感器检测范围,设计卡尔曼滤波多源融合方法构建机器人多级感知信号处理以及分级安全交互策略,并设计对应的模拟碰撞实验验证多源融合数据的有效性。所研发的工业机器人主动安全作业系统现已在东方电气集团冲击式转轮水斗机器人电弧增材平台,以及大型分盘式水轮机座环机器人焊接平台试装试用。应用结果表明,所提出的多源融合主动安全作业方法,充分结合各传感器在不同的感知区域的优势,为全空间、全场景下的人机交互提供感知能力和安全响应,显著提升了工业机器人系统的安全作业能力。
  • 包颖炜, 杨波, 孙茂文, 王泽正, 房理想, 欧阳小平
    机械工程学报. 2025, 61(15): 185-195. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.185
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    负重行走是工业搬运和消防救援等领域的重要需求,但长期负重可能对人体造成不可逆的损伤。提升负重能力的辅助设备一直是研究热点,下肢外骨骼作为一种有效的解决方案,受到广泛关注。面向大负重下的行走运动,研制了一种基于半主动电液驱动的下肢助力外骨骼机器人。在设计上,该外骨骼根据躯干和大腿之间的角速度特征以及膝关节的力矩特征,采用新颖的半主动电液关节方案,实现了矢状面内负载的有效传导。建立了关节的运动学和动力学模型,针对运动过程的负载扰动,将二级倒立摆模型和状态机策略结合,实现了阻尼的动态匹配控制:在站立阶段,根据加速度特征,调节关节阻尼以传递步行过程中动态变化的载荷;在摆动阶段,半主动关节保持反驱特性确保腿的自由摆动。实验测试验证了半主动关节具备广泛可调的液压阻尼系数特性和良好的反驱特性,确保了外骨骼在站立相的阻尼调节和摆动相的被动跟随控制。外骨骼穿戴测试结果表明,在不同负重工况下,所研制的半主动电液驱动外骨骼机器人都能实现高效的负重传导和较小的背部交互力。
  • 唐欣尧, 杨佳音, 王旭鹏, 殷榕, 刘晓宜
    机械工程学报. 2025, 61(15): 196-208. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.196
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    为了降低人体踝关节跖屈时产生的力矩和减缓小腿肌肉疲劳为目的,设计了一款准被动式变刚度踝关节助力外骨骼,利用足底压力信号控制电磁离合器工作的方式,实现储能单元的能量存储与释放。首先,变刚度机构是通过几何结构来调整助力弹簧的预紧力,使关节输出刚度达到非线性特征,从而减少人体行走时的能量能耗。其次,建立了人体穿戴踝关节外骨骼仿真模型,进行动力学仿真模拟,验证了外骨骼机械结构的合理性及良好的助力效果。最后,搭建了踝关节助力外骨骼功能测试实验平台,对变刚度储能机构进行了性能测试,结果显示穿戴外骨骼助力后胫骨前肌和腓肠肌的肌电信号平均降低了12.29%和39.26%,说明了穿戴外骨骼有效降低了肌肉疲劳,为可穿戴外骨骼的设计提供新的方法。
  • 王泽正, 包颖炜, 李慧莱, 李驰, 孙茂文, 欧阳小平
    机械工程学报. 2025, 61(15): 209-220. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.209
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    外骨骼机器人在多个实验室环境中取得了成功,但实际部署中仍面临着一系列与控制器硬件相关的挑战,包括控制器体积过大,实时性不足,计算资源瓶颈等问题。为了解决这些问题,开发了一套用于外骨骼机器人的具有可扩展性的硬件电路系统,同时兼顾了实时性和高算力特性。通过对控制器硬件信号流向进行建模,优化通信线路和流量分配,降低了系统通信延迟。根据外骨骼机器人在空间和时间上对算力需求的差异,设计了基于步态的实时任务调度算法,优化了算力分配。通过并行流水和模块折叠复用的方式来设计运算加速器,有效减少了硬件资源的消耗,提高了系统算力。开展了控制器实时性测试、算力测试和助力外骨骼机器人负重行走试验。经测试,所设计的控制器主从通信延迟小于20μs,算力功耗比15 GOPS/W,相比于主流控制器架构具有低延迟高算力特性。在平地,上下坡负重行走体现出良好的跟踪效果,为外骨骼机器人更广泛的应用打下了硬件基础。
  • 余丽, 刘忠, 马志云, 赵杰亮, 闫梦丹
    机械工程学报. 2025, 61(15): 221-232. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.221
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    目前的昆虫运动轨迹调控尚且存在控制系统集成度低、输出指令单一、刺激信号-轨迹匹配程度差等问题,从而影响昆虫机器人的运动轨迹控制效率。在探索昆虫感官电刺激下昆虫运动行为调控机制的基础上,结合双面丝网印刷技术,开发了一款高度集成的红外通讯微型控制背包。背包质量仅为74 mg,且结构具有一定柔性,具备变参数输出功能。此外,为提升刺激信号与昆虫运动轨迹的匹配性,进一步探索了感官电刺激信号与昆虫行为响应以及空间运动决策之间的相关性,最终获得了刺激信号-运动参数之间的映射关系,并实现了对昆虫沿特定轨迹的运动控制。基于感官电刺激的昆虫运动轨迹调控技术以及微型控制系统为提升昆虫机器人控制准确性提供了理论依据与技术支持。
  • 人因与具身智能
  • 李朝, 赵霞, 赵继康, 付锐, 王畅
    机械工程学报. 2025, 61(15): 233-246. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.233
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    驾驶人行为识别对提高驾驶安全性和发展智能交通至关重要。由于不同驾驶环境和驾驶人特征存在较大差异,基于端到端深度学习的驾驶行为识别模型很难在不同数据集下保持较高的泛化性能。针对上述问题,提出基于人体特征点提取和多维时间序列分类的驾驶人行为识别方法。使用YOLOv8和人体姿态估计器蒸馏(Distillation for whole-body pose estimators,DWPose)跟踪驾驶人区域并提取驾驶人人体特征点矩阵。对特征点矩阵进行归一化、平滑和维度转换。分别建立了基于Transformer、Informer、时间卷积神经网络(Temporal convolutional network,TCN)和注意力机制-长短期记忆网络(Attention based long short-term memory,LSTM-Attention)的多维时间序列分类模型。结果表明,Informer模型的识别准确性最高,TCN模型的运行效率最高。当使用Driver-100-Day进行训练时,Informer在Driver-100-Day、Driver-100-Night和State Farm Driver 2数据集上的测试准确度分别为90.82%、88.77%和80.67%,相比于CNN-Transformer提高了24.56%、72.02%和67.57%。所提方法相比于基于单帧图像输入的模型在泛化性能方面有较大的改善,且能够达到较高的识别效率和准确度。
  • 曾达幸, 许林淼, 范朝辉, 刘亚, 侯雨雷, 卢文娟
    机械工程学报. 2025, 61(15): 247-260. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.247
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    重点关注按摩状态驱动、作用组件对末端按摩头按摩力的影响,进而对按摩执行器参数优化,设计了一种集成多按摩手法、安全有效的背部按摩执行器。基于中医按摩穴位和手法动作,在确立背部按摩执行器的设计指标基础上,首先,分析按摩手法的运动特征,构建了多手法执行模块集成协同动作的背部按摩执行器,采用高还原性真人触觉及接触力阈值安全保护设计,分析指揉法和指振法凸轮机构模块的驱动力,得到机构工作所需要最大工作力矩和按摩执行器推杆力。其次,基于人体皮肤摩擦理论,针对指揉法执行中出现的按摩执行器按摩头与人体皮肤产生相对滑移的现象,通过求解粘附摩擦力、变形摩擦力以及横向刚度等关键参数,优化执行机构的揉动半径;针对指振法执行中出现凸轮执行机构的凸轮与推杆之间出现相互分离现象,基于粒子群优化算法,对推杆质量、弹簧预压缩量等结构参数进行优化,以确保凸轮临界角速度高于最大工作角速度。最后,搭建按摩执行器的样机实物,通过实验平台对按摩装置的按摩力、人机按摩效果对比进行验证。实验结果表明,设计的按摩执行器在结构设计上更具紧凑性和简易性,在±1 N的力度误差波动范围,验证了按摩力度、按摩手法和频率过程均符合背部按摩执行器技术指标。
  • 冯永飞, 杨圣业, 王琦, 卢衍正, 田俊杰, 王洪波, 牛建业
    机械工程学报. 2025, 61(15): 261-274. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.261
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    针对脑卒中患者肢体与康复机器人交互协同性差和动作不自然的问题,提出一种基于肌肉协同特征(Temporal-spatial muscle synergy feature, TSMS)、双向长短期记忆网络(Bi-directional long short-term memory, BiLSTM)与注意力机制(Attention)四肢多关节角度连续估计算法(TSMS-BiLSTM-Attention)。设计制作床上四肢协同康复机器人,并建立康复机器人上肢和下肢模块的运动学模型。采集人体踏步运动的上肢和下肢表明肌电信号(Surface electromyography,s EMG)和惯性传感器信号(Inertial measuring unit,IMU)。利用非负矩阵分解提取人体踏步运动中的静态肌肉协同特征,并确定4种肌肉协同模式。提出肌肉协同特征的TSMS-BiLSTM-Attention关节角度估计模型,用以估计运动中的四肢关节角度,并采用带异常值的非负矩阵分解算法对s EMG信号实时提取肌肉协同特征。通过IMU测量的欧拉角与四肢运动学模型计算关节角度的测量值。基于TSMS-BiLSTM-Attention模型提取s EMG信号的时空信息,建立四肢s EMG信号与关节角度序列间的映射关系。招募了7名受试者开展踏步运动实验,并整理、分析了相关实验数据。结果表明基于肌肉协同特征的关节角度估计表现显著优于时域、频域和时频特征,关节角度估计的决定系数分别为0.92、0.88、0.86和0.91。对提出的踏步运动关节角度估计模型在床上四肢康复机器人上进行验证,在主动康复训练中,髋关节、膝关节、肩关节、肘关节在线回归的均方根误差分别为3.56°、2.11°、2.36°和3.39°,相对分析误差分别为5.63°、10.13°、7.92°和7.24°。
  • 邹铁方, 罗鹏琛, 陈得着, 王丹琦, 冯浩
    机械工程学报. 2025, 61(15): 275-284. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.275
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    考虑到人地碰撞损伤难以预测,为此提出一种人车碰撞中的人体安全/危险落地机制预测方法。首先选择140例再现好的真实人车碰撞案例并提取碰撞前、中、后的相关数据,通过显著性及共线性检验方法获得140组含12个参数的数据。然后通过逐步回归的方法建立10组含碰撞前、中、后3个预测模型的模型集,并从中挑选1组最优模型作为人体安全/危险落地机制的预测模型。结果显示,10组模型均能很好地预测人体安全/危险落地机制,表明人体安全/危险落地机制可预测;所选最优模型组中3个模型的平均预测准确率分别为76.5%、82.7%、87.8%,所需预测参数分别为1、3和4个。进一步分析发现,所得最优模型组中3个模型亦能很好地应用于MADYMO仿真中,且行人身高与发动机罩高度之比(身罩比)会影响模型预测效果。进而提出考虑身罩比的改进模型,发现改进模型能明显提高碰撞中模型的平均预测准确率。
  • 吕健豪, 司佳辉, 鲍劲松
    机械工程学报. 2025, 61(15): 285-296. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.285
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    在人机协作拆解中,制造系统依赖预设算法的固定感知-认知模式,难以适配操作员基于经验的灵活需求与动态环境变化,易导致机器人的路径规划失效和决策停滞。对此,提出面人-机-环境共融的具身增强现实拆解系统。系统基于具身智能理论,以“感知-认知-执行”机制为核心,结合增强现实技术强化具身代理的环境感知与认知推理能力。设计一种具身增强现实协同拆解策略;提出基于上下文强化机制的局部图像注意力模型,实现自适应图像描述生成;设计基于大语言模型的调优和推理机制进行自优化的认知推理方法;设计基于增强现实的人-机-环境数据交互方法,实现机器人的操控执行。构建三种相似性指标用于进行具身感知-认知的性能评估。定量和定性的实验可证明系统的可行性和有效性。
  • 刘曙光, 谢嘉成, 王学文, 秦浪
    机械工程学报. 2025, 61(15): 297-313. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.297
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    随着需求牵引与政策推动,煤矿机器人的研发与应用空前活跃,当前已可在少数场景中自主作业,代替煤矿操作员完成部分工作。但在煤矿辅助作业中,环境与任务的开放性、复杂性决定了煤矿操作员的深度参与仍然必不可少。在人机共融协作的背景下,亟需探索如何充分利用人的智能与机器智能优化煤矿辅助作业的决策过程。针对这一问题,首先回顾了相关概念与工作,将煤矿辅助作业中的决策归结为人机混合决策问题。然后基于人在回路的人机混合增强智能范式提出了XR驱动的煤矿辅助作业人机混合决策架构,介绍该架构的组成部分与协同运行关系。之后对实现该架构所需的各项关键技术及相应解决方案进行探讨。最后以采煤机滚筒停机维护为案例构建模拟场景,在所提出的架构下进行应用测试,以证实其可行性与有效性。结果表明,所提出的架构将人机混合决策过程扩展到虚拟空间,能够通过异构信息流的巧妙转化与传递,在满足作业任务要求的前提下将煤矿操作员与辅助作业机器人的决策合理整合,形成虚实融合、人机共智的决策模式,具有在煤矿辅助作业以及其他领域类似场景中的应用潜力。
  • 邓功勋, 许拓, 胡正晟, 彭勇
    机械工程学报. 2025, 61(15): 314-323. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.314
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    列车碰撞是我国伤亡最严重的重大列车安全事故之一,研建专业的列车乘员二次碰撞试验系统并开展列车乘员碰撞试验对科学再现乘员冲击动力学损伤响应、评估列车被动安全性具有重要意义。依托已有的轨道车辆实车碰撞试验系统,成功研建了列车乘员二次碰撞试验平台。基于50百分位Hybrid Ⅲ假人,开展了高速列车乘员二次碰撞试验,分析座椅靠背角度和可折叠小桌板对列车乘员碰撞损伤响应的影响。结果显示,在列车耐撞性标准规定的碰撞速度下,乘员头部加速度峰值最大为30g,但头部损伤准则(Head injury criteria,HIC)最大值只有17.38,头部损伤并不严重。打开小桌板时,乘员胸部损伤虽并不明显,但颈部撞击小桌板出现的“锁喉”现象可能会威胁乘员生命安全。试验数据可为我国高速列车内饰结构优化设计和列车内饰碰撞安全标准的制定提供重要数据参考。
  • 周汶蓉, 熊世权, 杨秦秦, 叶驰川, 徐梦宇, 易茜, 冯毅雄, 易树平
    机械工程学报. 2025, 61(15): 324-338. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.324
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    人因失效为造成核电事故的主要因素,在建造中因参与人员的主观行为意愿与质量管控规制发生冲突时会引发主观人因失效,为此基于主观人因失效控制结构提出一种智能质量见证方法来防范失效。在分析核电装备协同质量见证模式与主观人因失效问题基础上,基于系统理论事故模型和过程方法构建协同质量见证的主观人因失效防范安全控制结构,识别安全约束缺失导致的主观人因失效风险因素,并利用决策与试验评价实验室法计算关键风险因素影响作用,揭示主观人因失效事件防范的技术与管理屏障。通过物联信息感知与大数据技术的深度融合,设计主观人因失效防范的协同质量智能见证方法,给出其体系架构,展示了所开发的智能见证平台在中广核三澳核电项目土建工程中良好的应用效果。提出的协同质量智能见证方法可为以核电装备为代表的复杂产品主观人因失效防范提供参考和借鉴。
  • 人机协作装配与调度
  • 姚碧涛, 向宇光, 徐文君, 叶勋, 周祖德, 王力翚
    机械工程学报. 2025, 61(15): 339-350. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.339
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    在人机协作装配过程中,长时间的重复性工作会导致人体出现肌肉疲劳,从而引起装配序列完成时间的波动,降低整体装配效率。因此,提升机器人对人当前疲劳状态的感知能力,实时评估装配任务中人的肌肉疲劳度,并对装配序列进行优化,对于提高装配效率和减轻人的工作负担具有重要意义。为此,基于人体肌肉激活疲劳模型,研究人机协作装配序列的重规划方法:首先,采集人在装配过程中的动作图像,并利用Open Pose提取动作数据,据此构建人的个性化骨骼肌模型;然后,使用OpenSim软件计算装配动作中的肌肉力变化,结合人体肌肉激活疲劳模型计算最受累肌肉执行装配动作时的疲劳指数,并利用实时获取的关节角变化数据,训练LSTM深度神经网络以快速通过实时关节角变化判断人的动作类别,从而可基于判断的动作类别实时得到人的动作疲劳指数;接下来,利用多目标遗传算法对总装配时间和总人体疲劳两个目标进行优化,并根据人体实时关节角得到人的动作类别以及对应动作的疲劳指数,当人体受累肌肉的疲劳积累时,基于实时监测的人的疲劳与动作耗时重新规划下一轮的装配序列,从而提高整体装配效率并减少人体疲劳。以人机协作装配齿轮减速箱为试验场景,开展了实时疲劳检测与装配序列重规划的试验。试验结果表明,所提出的方法能够识别人的肌肉疲劳,并有效重规划出能够减轻疲劳的装配序列,提升了人机协作装配效率并减轻了人体装配过程中的肌肉疲劳。
  • 刘建军, 邱俊豪, 张忠明
    机械工程学报. 2025, 61(15): 351-371. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.351
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    制造系统正经历以客户为中心的柔性制造模式的深刻转变,逐步向多阶段集成化和分布式网络化扩展,存在复杂多维目标集成决策的现实化需求。传统的基于算法或机器智能的一体化调度方法在处理非线性约束及难以量化的复杂业务底线诉求时存在局限,且决策者难以预知和干预容易产生沉没成本。因此,提出复杂制造系统中的人机交互调度技术,旨在通过人机交互机制,实现决策者对优化方向的灵活调控,结合业务诉求与决策偏好对搜索解空间进行预优化并分割以提升求解效率,实现人机协同下的调度优化。针对具有集约生产与多样交付决策诉求的家电制造系统,设计了两级交互式调度方法,通过约束边界调整的方式平衡业务矛盾与体现决策者的偏好诉求,并构建了约束规划模型及不同目标导向的邻域结构。最后,利用某家电企业的历史案例数据进行验证,结果显示调度方案置信度高且获用户认可,证明了方法的有效性。
  • 张丽科, 梁冲, 吴军伟, 李浩, 贺飞, 李鹏宇, 王昊琪, 文笑雨
    机械工程学报. 2025, 61(15): 372-384. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.372
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    服务工人作为企业执行MRO(Maintenance,repair and overhaul)服务的核心资源,其调度方案的优劣直接决定了MRO服务的运营效率和成本高低。当前,随着MRO客户需求的个性化与差异化,以及需求场点的高度分散性,以往的调度理论表现出明显的局限性,亟需开展针对性的调度决策理论研究。为此,提出一个涉及多类别客户约束的多场点复杂装备MRO服务工人调度问题。在该问题中,根据客户的质保属性和认可度,将客户划分为三类:质保期内的保内客户、质保期外且具有一定认可度的一般客户,以及无容忍度的临时客户。并以最大化服务总收益和最小化最大完工时间为优化目标构建了其数学模型。其次,基于NSGA-Ⅱ提出一个改进算法——MNSGA来求解问题。为了优化算法性能,设计了基于问题特性的初始化规则和局部搜索算子。最后,基于测试集和实际数据构建多组不同规模的算例,并设计了一系列试验。数值试验结果显示,所提算子能有效提高MNSGA性能。与其他知名算法对比,验证了MNSGA的有效性和竞争力。
  • 黄思翰, 彭志诚, 朱启章, 王柏村, 张明睿, 马妮, 冷杰武, 郑湃, 敬石开, 王国新, 阎艳
    机械工程学报. 2025, 61(15): 385-398. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.385
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    工业元宇宙是元宇宙技术在工业领域的垂直应用,重塑了工业领域生产制造模式与工业生态。随着工业5.0的兴起,以人为本的智能制造(人本智造)理念逐渐引起关注。围绕人本智造系统的工业元宇宙开发,实现了两大新兴理念的深度融合,并展现出巨大的研究价值与潜力。提出面向工业元宇宙的人本智造系统数字孪生建模与分布式虚拟协作方法,旨在解决工业元宇宙的人的数字孪生模型快速定制以及多人在虚拟制造场景高效协作的难题。建立基于元模型的人的数字孪生快速定制方法,借助机器视觉实现人与数字孪生模型的虚实映射与动态交互,融合制造系统生产要素模型奠定工业元宇宙的模型基础。提出面向元宇宙空间的多人协作方法,建立服务器-客户端分布式接入框架,实现多人的数字孪生集成与交互,为多人异地、实时在线的虚拟制造场景高效协作提供支撑。通过人本智造系统的双人协同上下料场景验证该方法的有效性。
  • 赵强强, 刘世伟, 姜冬磊, 余德文, 李明, 陈飞飞, 郭俊康, 王柏村, 张进华, 洪军
    机械工程学报. 2025, 61(15): 399-416. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.399
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    对于大型星载平面天线而言,其形面精度决定着电性能,如何快速精准调控形面精度是其生产制造中的关键难题。为此,提出一种全新的基于人在回路的大型星载平面天线形面精度优化调控方法,将专家的现场反馈作用与前期工程经验融入到天线形面精度优化调控当中,在提升调控效率的同时实现形面精度最优。首先,构建了基于专家信念增强的人类知识数学表征模型与偏好学习模型。在传统贝叶斯优化的基础上,将专家知识有机地衔接到贝叶斯优化过程当中,从而构建了人在回路的贝叶斯优化模型,让专家的现场反馈作用无缝融入优化过程。然后,基于人在回路的贝叶斯优化算法,以形面精度最小为目标函数,以杆长调整尺寸为优化变量,整合工艺人员经验进行大型星载平面天线的形面精度调控。最后,利用数值案例分析与天线缩比样机实际装调试验对所提方法进行验证。结果表明所提方法能够明显加速优化收敛速度,大幅提升形面精度与调控效率。
  • 杨震, 高丰, 刘检华, 孟昭旭, 沙金龙, 庄存波
    机械工程学报. 2025, 61(15): 417-440. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.417
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    当前手工装配车间工人分配多依赖管理者经验,易致排产效率低、工人忙闲不均。为此,研究考虑工人技能类型、技能水平、年龄大小等多人力因素的多阶段混合流水车间工人分配问题至关重要。针对该问题,建立以最小化订单完工时间和工人负载均衡为目标的调度优化模型,提出改进NSGA-Ⅱ算法。为实现不同阶段工人编码,设计一种多层染色体结构编码方法。考虑工人技能类型的影响,设计一种染色体交叉变异方法。为避免算法陷入局部最优解,设计一种基于变异方法的局部搜索策略。以某士兵装备生产车间为例,设计32个测试案例进行算法对比试验。结果表明该算法在稳定性、收敛性和解的质量方面优于其他六种算法。为解决多阶段混合流水车间工人分配问题提供了新方法。
  • 申慧敏, 丁金涛, 沈梦若, 雷勇
    机械工程学报. 2025, 61(15): 441-452. https://doi.org/10.3901/JME.2025.15.441
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    随着工业5.0时代的到来,智能制造对人机协同提出了更高的要求。特别是在飞机总装测试过程中,驾驶舱面板的操作极为复杂,操作员需根据测试要求准确操作数百个按键和旋钮,极易因误操作而影响测试效率和飞机安全性。为解决该问题,提出一种基于磁-惯性传感信息融合的多指动态位姿追踪与操作空间映射方法。基于手部指骨生理约束,建立工作手指的D-H运动学模型;利用结构化磁场标记技术获取手部的基坐标空间位姿信息;通过磁-惯性传感信息融合,结合手指运动学模型和空间映射方法,实现作业指尖运动向操纵面板空间映射,可用于操作识别和判定。面向模拟操作面板开展了应用试验,包括按键顺序操作和旋钮操作识别,结果显示按键操作指尖平均定位误差±方差分布在[1.64, 3.73]±[0.44, 0.82] mm,旋钮旋转操作转角识别平均误差±方差分布在[2.11, 2.42]±[0.71, 1.00]°。验证所提出方法应用于驾驶舱面板精细操纵的有效性和适用性。