2025年, 第61卷, 第21期　
刊出日期：2025-11-05

  

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特邀专栏：纪念张启先院士诞辰 100 周年
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  弘扬启先精神，开创中国机器人机构学新时代——纪念张启先院士诞辰100周年

  北京航空航天大学机械工程与自动化学院, 北京邮电大学智能工程与自动化学院, 《机械工程学报》编辑部

  机械工程学报. 2025, 61(21): 1-1. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.001

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  动力吸振技术及其创新设计研究进展

  马文硕, 朱昊宽, 杨毅青, 于靖军

  机械工程学报. 2025, 61(21): 2-17. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.002

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  动力吸振作为解决结构振动问题的有效手段之一，其性能瓶颈的突破对航空航天、国防军工等国之重器领域的高端装备可靠性跃升具有重要战略意义。以构型创新为主线，系统梳理了单自由度、组合式单自由度、多自由度、可调谐及非线性五大类型动力吸振器的研究进展。单自由度吸振器结构简单、稳定可靠、便于实现，是当下实际工程中应用最为广泛的结构形式，但其窄频特性短板催生了组合式与多自由度设计；组合式吸振器通过并联/串联拓扑拓展频带，实现了频带拓展与工程实现难度的平衡；多自由度吸振器通过对质量单元多个空间自由度的充分利用，实现了多维或多模态振动的高效抑制；可调谐吸振器结合调谐机构与半主动控制，解决了主振结构动态特性变化工况下的最优适配难题；非线性吸振器则利用靶能量传递机制，在宽频抑振中展现出独特优势。对比分析表明，构型创新通过自由度扩展、参数自适应调整及刚度非线性化，显著提升了吸振器的抑振性能与环境适应性，设计方法也经历了从传统参数优化向构型创新驱动的范式转变。同时，基于柔性元件的刚度单元重构，为构型驱动的性能跃升提供了理论基石。未来，动力吸振器的抑振性能将向更高层次突破：更高幅值抑制率、更优动态适应性、更大抑振带宽以及更多抑振自由度。此外，研究有望推动振动控制技术向“抑振－储能－感知”一体化方向演进，为航空航天、高端制造装备等尖端领域振动抑制提供理论支撑与技术范式。
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  多稳态机构/结构研究进展

  李博, 尹彦琦, 吴业辉, 张毅, 马付雷, 白瑞玉, 姚家强, 陈贵敏

  机械工程学报. 2025, 61(21): 18-37. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.018

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  多稳态特性是一种特殊的非线性力学现象。当一个系统具有多稳态特性，则意味着它存在多个稳定平衡态(能量取得局部极小值的状态)，在这些状态下，即使受到外界小的扰动系统也能够在无能量输入条件下实现状态自保持。多稳态可表现出丰富多样的力学特性/行为，如负刚度、自平衡、抗扰动等，在航空航天、智能机器人、生物医学等领域逐渐展现出巨大的应用价值，近年来吸引了大量的研究人员。回顾了这些年多稳态机构与结构的典型研究成果：首先从柔顺机构、折纸结构、剪纸结构、软材料以及张拉整体结构等五个方面总结了不同多稳态设计的机构/结构原理、构型特征和设计方法；然后，对多稳态机构/结构在多种应用场景下的典型应用进行归纳介绍；最后对未来多稳态机构/结构的发展趋势进行了展望，旨在为多稳态机构/结构的设计提升与应用拓宽提供新的思路。
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  空间大负载长距离展开臂精度分析与实验

  李潇, 王浩威, 刘冬, 张珺威, 邓宗全, 李端玲

  机械工程学报. 2025, 61(21): 38-47. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.038

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  空间大负载长距离展开臂是大型星载天线、雷达等有效载荷的关键组成部分。为保证展开臂具有良好的指向和定位精度，以折铰杆式展开臂为研究对象，开展影响展开臂精度的主要因素识别、精度综合分析方法以及天地一致性验证等研究工作，分析影响展开臂精度的主要环节及其变化规律，建立了一套空间大负载长距离展开臂精度设计与控制方法，完成高保真的地面仿真验证以及实验验证，实现了空间大负载长距离展开臂在轨高精度工作的精度综合。研究结果对大型空间展开机构的高精度设计与工程实现具有一定的指导和参考意义。
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  基于面对称Bricard单元的弹性空间过约束机构运动分岔与输出特性分析

  刘世伟, 李龙, 吕胜男, 丁希仑

  机械工程学报. 2025, 61(21): 48-59. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.048

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  空间过约束机构具有驱动输入少、刚度高、折展比大等独特优势，在航空航天、机器人领域具有广泛的应用前景。近年来，结合弹性/柔性结构发掘空间过约束机构的力学特性成为研究热点。鉴于此，基于矩形面对称Bricard单元，提出一种含分布式弹性元件的对称双锥台型空间过约束机构(简称对称双锥台Bricard弹性机构)，并探讨其准静态力学输出行为。以矩形面对称Bricard机构为骨架单元，在铰点之间放置弹性元件，完成对称双锥台Bricard弹性机构的结构设计，并结合单元分岔特性和组装形式对其分岔构型进行了详细分析。建立了对称双锥台Bricard弹性机构的准静态力学输出模型，结合分岔构型分析了整体力学输出特性。研究结果表明，所设计的对称双锥台Bricard弹性机构具有灵活的参数调节能力和丰富的非线性刚度输出特性，改变分岔路径可以实现正刚度、负刚度、准零刚度、零力值、分段力值等输出特性切换。当各弹性元件刚度相等时，对称双锥台Bricard弹性机构具有线性负刚度特性，并联正刚度元件后能实现全运动行程上的恒零刚度输出，极大扩展了零刚度范围，在超低频隔振、人机交互等领域展现出巨大的性能优势。
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  真实机构运动分析综合与机床精度测评理论基础

  唐首臣, 钟祾充, 郭彩玲, 王智, 刘辉, 刘喜平, 王德伦

  机械工程学报. 2025, 61(21): 75-99. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.075

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  构建了真实机构运动分析与综合的理论基础架构，定义了真实机构及其真实构件、真实运动副，研究真实机构运动分析与综合方法。首先，基于真实回转副/移动副的实测运动数据，分析了其约束几何要素的离散运动轨迹性质，获得五个全局运动不变量参数——最小准线点的平动位移区域和最小球面像方向的角位移区域，揭示了真实运动副不存在理想轴线，而是由真实运动整体性质确定近似动/定准轴线，由此确定真实构件的尺度。其次，将真实运动副约束两真实构件间的运动分解为随动准轴线的牵连运动和相对动准轴线的运动，而牵连运动参数恰为动准轴线的五个运动不变量参数，提出了真实运动副不变量运动精度。再次，由真实构件连接真实运动副动-定准轴线形成真实机构，建立了真实机构运动学基本方程，揭示了真实机构结构、尺度与真实运动的内在联系。同时，构建了真实机构运动分析与综合初步架构——由真实机构求解实际输出运动、由实际测试数据辨识真实机构。最后，将机床运动精度测量与分析转化为真实机构运动分析与综合问题，为机床运动精度分析设计和误差辨识提供理论基础。据此，将机构运动分析与综合理论由刚体机构发展到真实机构，拓展了机构学应用领域，为丰富和发展机构学理论提供了新路径。
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  人机运动中心自匹配的腕关节康复外骨骼设计

  王暾, 张行, 张仕民, 朱霄霄, 张来斌, 戴建生

  机械工程学报. 2025, 61(21): 100-110. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.100

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  脑卒中是一种神经损伤性疾病，是我国成人致死、致残首位病因，给家庭和社会造成巨大负担。机器人技术可有效帮助脑卒中患者进行神经重塑和肢体康复。手腕关节作为人体最为灵活的关节之一，其功能障碍将严重降低患者生活质量。因此，设计了一种基于并联机构的、用于腕关节康复的外骨骼机器人。设计考虑手腕关节骨骼结构，提出一种新的更符合其生物学运动特征的腕关节简化模型。基于该模型利用旋量理论对所设计外骨骼的人机匹配性及运动特性进行分析。建立该外骨骼机构的运动学模型，进行奇异性、工作空间及灵巧度等运动学性能评价，并对其驱动特性进行研究。结果表明设计可满足腕关节康复需求，并可实时匹配运动腕关节中心；与已有研究相比，所设计外骨骼具备良好运动学性能并可实现驱动解耦。
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  面向微小零件装配的新型九自由度运动冗余并联机构

  郑瑞达, 张宪民

  机械工程学报. 2025, 61(21): 111-128. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.111

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  微小零件装配是微机电系统、半导体、微型传感器等精密仪器制造的关键步骤之一。在微小零件装配领域，传统并联机构虽具有很高的定位精度，但是其末端执行器的运动范围，特别是转动范围通常十分有限，因而往往难以满足装配空间的需求。为此，提出了一种具有大姿态工作空间的新型九自由度运动冗余并联机构构型，通过分析确定了机构冗余自由度的数目，建立了机构位姿正逆解的运动学模型，并通过数值算例和ADAMS运动学仿真验证了其正确性。同时，针对此类具有多个转动自由度和大姿态工作空间的并联机构，提出了一种新型姿态空间边界搜索策略。在此基础上，得出了机构的可达工作空间，分析了运动冗余对其工作空间的影响，并给出了利用运动冗余对机构姿态空间进行扩展的有效策略，使其绕X、Y、Z轴转动的姿态空间均可达±90°以上。该运动冗余并联机构在微小零件装配领域中具有很好的应用前景。
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  周向负泊松比约束下的并联柔性复合压力传感器

  姚建涛, 于显河, 高炜骅, 李超明, 费翔宇, 刘毅

  机械工程学报. 2025, 61(21): 129-142. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.129

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  柔性压力传感器由于其高柔顺性和高灵敏度在人体健康监测、工业协作等领域展现出良好的应用前景，设计具有极宽线性量程的柔性力传感器对扩展应用能力具有重要意义，因此提出了一种内嵌周向负泊松比弹性体的复合压力传感器。设计了基于3SS-3RRU机构的柔性并联弹性体，分析了弹性体运动形式和周向负泊松比变形特性，制备了具有内嵌并联弹性体的柔性复合压力传感器，并开展了机械性能与电感性能测试。试验结果显示，复合压力传感器在0～121.21 kPa的超宽压力检测区间内具有0.004 2 kPa^?1的灵敏度和优异的线性度(R²=0.991)，与纯泡沫基压力传感器相比，在具有良好灵敏度的同时大幅提升了传感器的压力检测范围和线性度。此外，提出的复合压力传感器还具备快速响应(154 ms)和恢复(170 ms)能力，以及出色的循环稳定性和可重复性。在人体运动健康检测实验中，该传感器能够准确地检测人体8种不同部位的运行信号。研究表明，提出的复合压力传感器具有良好的感知性能，在人机交互、医疗健康等方面展现出巨大的应用潜力。
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  面向灵巧操作的多功能三指软体机械手

  孙先涛, 钟明升, 高崇, 王骜, 陈伟海

  机械工程学报. 2025, 61(21): 143-151. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.143

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  软体机械手凭借其柔顺性、自适应性和安全性等固有特性，在机器人抓取与操作领域展现出传统刚性机构无法比拟的优势。提出一种新型多功能气动三指软体机械手，可实现易损物体的自适应安全抓取和灵巧操作。该机械手采用双自由度气动协同驱动设计，各手指由弯曲驱动器和侧摆驱动器构成：前者创新性地采用倾斜气动网络结构，相较于传统垂直网络结构，其弯曲角度和接触力得到较大提升(19.5%和20.1%)；后者通过仿生设计实现类人手指的±16.5°侧向摆动。基于超弹性材料的Mooney-Rivlin本构模型，建立了包含运动学与准静力学的耦合数学模型，精确预测软体手指在加压空气下的弯曲角度和接触力(理论与仿真结果误差分别小于2%和9.2%)。通过有限元仿真研究了软体手指的机械性能，揭示腔室倾斜角对弯曲角度和接触力的影响规律。最后，通过3D打印和成型技术制造软体机械手样机，实验表明该机械手能够抓取不同尺寸、形状、材质和重量的物体，并能执行诸如旋转开启瓶盖等灵巧的操作任务，验证了结构设计与控制策略的有效性。
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  面向空间多任务的自重构模块化机器人形态设计与性态分析

  安小康, 贾庆轩, 陈钢, 刘育强, 刘华伟

  机械工程学报. 2025, 61(21): 152-167. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.152

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  模块化机器人的设计与应用是应对未来空间多任务的重要手段之一，而基础模块单元的形态又直接影响着模块化机器人任务适应性。面向从空间多任务需求到模块单元形态间的非线性映射难题，提出一种面向空间多任务的自重构模块化机器人形态设计与性态分析方法。首先，通过图论逆向映射并制定映射规则，构建了两类基础模块单元基础形态，引入体自由度以增强接口间姿态调节能力，并表征了形态参量。其次采用改进的自适应差分进化算法，以外形和体自由度夹角为优化变量，构建包含应力分布均匀性、运动灵活性及工作空间等性能的评价指标，优化评估并获得最优形态参数，即外观为球形、体自由度夹角为45°。然后分析两类模块单元的工作空间、运动灵活性及各向同性、外壳应力应变等性态在不同运动传递链路中的表达效应，证明了形态设计结果的优越性。最后，以桁架装配任务为例开展仿真分析，结果表明由模块单元组成的模块化机器人可自主重构为单臂到多分支等构型，可连续完成桁架抓取、搬运与装配等任务。该理论成果可为模块化机器人设计提供方案借鉴。
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  基于空环缓冲动平台的Delta型火箭回收机构设计与分析

  徐东来, 郭盛, 许学雷, 靳晓东, 赵福群, 孙振莲, 杨卫杰

  机械工程学报. 2025, 61(21): 168-178. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.168

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  针对重型运载火箭回收的实际需求，提出了一种基于空环缓冲动平台的Delta型火箭回收机构。利用Delta机构的空间对称三维运动特性实现对火箭水平面的二维捕获运动与竖直方向的下放运动。设计了一种单自由度空环动平台，可实现火箭捕获瞬间的缓冲吸能。提出了一种嵌入被动式锁止机构的新型移动副，能够实现驱动的动静态瞬时切换，阻断冲击载荷向驱动器传递。研究了该新型Delta式火箭回收机构在满足捕获工作空间要求下的驱动工作空间与结构尺度的关系；评价了机构的可捕获空间范围和局部刚度性能；建立了连杆结构重量对驱动参数的影响评价指征；分析了适用于百吨级火箭回收的Delta型机构的驱动特性，以及空环动平台的缓冲性能指标。构建的基于Delta型并联机构的火箭回收机构的大重载高速捕获动态指标特性、空环缓冲吸能动平台设计与指标以及运动副瞬时切换机构能够为未来基于并联机构或多连杆机构的火箭回收装备研发提供技术支撑和参考依据。
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  基于折纸技术的星载薄膜天线膜面折叠设计与实验

  任志威, 杜敬利, 訾斌, 郭佳媛

  机械工程学报. 2025, 61(21): 179-191. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.179

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  薄膜材料结合折纸技术为星载平面阵列天线和星载反射面天线的轻量化与高收纳提供了解决方案。为实现薄膜天线的高效收纳，缓减折痕对膜面精度的影响，基于Flasher厚板折纸理论，分别开展了平面薄膜和抛物面薄膜折痕的布局设计、仿真分析及实物折叠实验。首先，针对平面阵列天线，在折痕设计中充分考虑薄膜阵面厚度影响，建立了非零厚度平面薄膜折痕分析模型，利用次折痕降低了折叠高度，提升了天线的折叠收纳率。然后，针对反射面天线，在平面折痕设计的基础上，根据平行投影几何和螺旋曲线微元法，综合考虑反射面结构产生的厚度影响，建立了抛物面薄膜折痕布局分析模型，实现了曲面薄膜的折叠设计。通过有限元软件分析了平面与曲面薄膜的折叠过程，验证了折痕布局设计的合理性。最后，采用扩展间隙法研制了聚酰亚胺平面薄膜和抛物面曲面薄膜样件，实验表明设计的折叠方案能够实现平面和曲面薄膜的良好折叠，能够保证薄膜天线展开后的型面精度，可为星载薄膜天线的高效收纳管理提供理论支撑。
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  基于误差模型与机器学习结合的2PRU-PSR并联机器人误差补偿方法

  柴馨雪, 陶奕良, 祖洪飞, 徐灵敏, 李秦川

  机械工程学报. 2025, 61(21): 192-203. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.192

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  运动学标定是并联机器人精度保障的重要手段。现有的标定方法只能单独对几何误差或非几何误差进行补偿，效率较低，并且未考虑由传统误差模型局限性所导致的部分无法辨识的几何误差影响。针对以上问题，提出了一种基于误差模型与机器学习结合的并联机器人误差补偿方法，并应用于2PRU-PSR并联机器人(P：移动副，R：转动副，U：虎克铰，S：球铰)。首先，基于闭环矢量法建立2PRU-PSR并联机器人的运动学模型，利用矢量微分法建立几何误差模型。其次，应用最小二乘平方和优化函数lsqnonlin对几何参数进行辨识并完成部分几何误差补偿。然后，针对标定后剩余部分无法辨识的几何误差和非几何误差，分别采用BP(Back propagation)神经网络和高斯过程回归(Gaussian process regression, GPR)模型进行误差预测与补偿。最后，通过仿真和实验验证了该方法的正确性和有效性。实验结果表明经过运动学标定并结合BP神经网络预测补偿后2PRU-PSR并联机器人末端平均位置误差由5.121 4 mm减小至0.105 0 mm，平均姿态误差由0.027 6 rad减小至0.003 80 rad；结合GPR模型预测补偿后末端平均位置误差由5.121 4 mm减小至0.091 8 mm，平均姿态误差由0.027 6 rad减小至0.005 68 rad。该方法同样适用于其他并联机器人的误差补偿，以提高末端精度。
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  融合视觉语言模型与近端策略优化算法的人形机器人步态切换方法

  杜国锋, 邵士博, 李尚霖, 林诚然, 曹政才

  机械工程学报. 2025, 61(21): 204-212. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.204

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  步态切换是人形机器人实现多地形连续运动的核心。现有方法大多依赖本体感知，缺乏对外部环境特征的理解能力。为此，借鉴视觉语言模型的语义映射机制与近端策略优化算法的自适应学习特性，研究二者融合的人形机器人步态切换方法。首先，通过线性映射方法进行运动重定向，生成仿人步态序列；其次，基于奖赏塑形的近端策略优化算法训练步态基元，构建多地形步态库；然后，设计基于视觉语言模型的步态调度器，动态匹配步态基元；再次，采用拉格朗日插值方法构造多项式函数约束关节轨迹，实现适应性步态切换。最后，在典型场景下进行步态自主切换实验，验证了所提方法的有效性。
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  大负载SCARA并联机器人刚度建模及性能预估

  梁栋, 韩志强, 宋轶民, 畅博彦

  机械工程学报. 2025, 61(21): 213-226. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.213

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  针对纺织、食品、物流运输等领域对高速、高精度以及大负载作业装备的需求，研究一种含闭环子结构SCARA并联机器人精细化刚度建模方法及其性能分析。首先，对该机器人进行结构描述和位置分析；其次，在螺旋理论框架下，引入虚拟弹簧法，推导主/被动平行四边形子结构的刚度矩阵，获得支链的刚度模型，进而通过刚度叠加原理，建立整机刚度模型；在此基础上，借助数值计算和有限元仿真对六组典型位姿下的线刚度和扭转刚度进行对比，结果显示相对误差均在10%以内，验证了刚度理论模型的正确性及有效性，并对姿态角为0°时工作空间不同平面内的刚度分布进行了可视化，阐明了相关变化规律；最后，为有效统一线变形和扭转变形的量纲，基于瞬时变形能构造出具有清晰物理含义的刚度性能指标，据此分析了不同姿态角下任务工作空间内的刚度性能，为该机器人的高速、高刚度一体化设计及样机开发奠定了理论基础。
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  双稳态折纸型柔性臂力学建模与展开分析

  刘名利, 史创, 郭宏伟, 刘荣强

  机械工程学报. 2025, 61(21): 227-236. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.227

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  受折纸启发的设计为空间技术中的诸多挑战提供了新的解决方案。基于折纸原理的柔性臂因其质量轻、体积小、适应性强等优点，受到越来越多的关注。提出一种可模块化拓展的折纸型柔性臂结构，该结构具有双稳态特性，可有效提高柔性臂的轴向展开刚度。通过分析柔性臂胞体结构中折痕之间的约束关系，建立几何模型。通过在变形平面内添加虚拟折痕，将单平面的弹性变形等效为双平面的回转运动。在普通折痕和虚拟折痕上引入扭转刚度，计算得到柔性臂胞体结构的弹性势能，进而建立力学模型。力学分析结果表明，折纸型柔性臂具有双稳态特性，且该特性与柔性臂材料的弯曲折叠刚度比值密切相关。设计并制作了3个不同长度的折纸柔性臂模型，并开展功能验证实验，结果表明该柔性臂具有较高的展收比和良好的展开稳定性。根据拉伸实验结果，对力学模型进行修正，实现对任意口径折纸柔性臂展开驱动力的预估。
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  多级可调刚度刚柔耦合仿生机械手设计与验证

  王振宇, 孙建伟, 张美玲, 丛明, 褚金奎

  机械工程学报. 2025, 61(21): 237-248. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.237

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  针对刚度调控困难以及因刚度显著差异导致的刚柔界面结合问题，提出了一种结合仿生设计的多级可调刚度机械手及其刚柔耦合一体化制备工艺。基于人体骨骼-肌肉协同机制设计了三段式手指结构，利用刚性、柔性材料复现骨骼、肌肉特征。融合增材制造与浇筑工艺的优势，采用结构嵌入与胶接冗余设计，刚柔界面结合强度提升120%(106 N)，瞬态断裂力可达单节刚柔部件自重的2 400倍。通过结构物理约束重构替代肌肉拮抗作用，提出基于多级拮抗力臂的刚度调节策略。该策略在保留独立屈肌腱驱动结构的基础上，引入棘齿锁定机构，实现肌腱止点在远节指骨轨道内的多位置切换，进而调节拮抗力臂长度，赋予手指可调刚度能力。相比传统多肌腱协同控制方式，该方法在无需复杂控制系统的前提下，实现了调控比1:1.56的宽域刚度调节和43.5°至83.6°(跨度92.2%)的可达空间调控。基于Denavit-Hartenberg(D-H)参数法建立运动学模型，结合静力学分析验证了拮抗力臂对末端力和工作空间的影响规律。实验结果表明，该机械手能够实现4~234 g范围的不规则形状、刚性与柔性混杂物品的分级匹配夹取，验证了变刚度机制与负载的有效匹配能力，通过预设多工况及重复性场景验证了抓取稳定性，展现了其在非结构化抓取任务中的应用潜力。
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  恒雅可比并联式力觉交互操作器机构设计与误差分析

  金兆鹏, 赵延治, 刘亚军, 孙悦, 赵鸿飞

  机械工程学报. 2025, 61(21): 249-258. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.249

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  为提升力觉交互操作器临场感，提出将具有雅可比矩阵恒定特性的3-PRRR并联机构应用于操作器构型设计之中，基于螺旋理论确定机构的自由度，利用机构约束力螺旋计算雅可比矩阵，通过机构几何方程得到初始条件下移动平台位置，进而得到机构的运动学正解表达式。之后，对样机进行了研制并验证了机构的恒雅可比特性。在样机的误差测量实验中，建立了操作器的位置误差模型。此外，对电机推力的测量表明，超过一定阈值后推力与输入呈线性关系。角度误差分析显示，整体误差水平较为理想，均值在1°以内。通过实验验证了所提理论的正确性，并揭示了未来的优化方向。
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  大尺度空间平面可展开机构驱动配置多目标优化

  马莺, 李团结, 曾子杰, 郑士昆, 赵将, 王一喆

  机械工程学报. 2025, 61(21): 259-273. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.259

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  大尺度空间平面可展开机构具有运动自由度多、动力学响应复杂等特点，且动力学响应与驱动配置的耦合性较强，在工程中往往难以直接计算出合适的驱动参数。当前，针对平面可展开机构驱动配置优化的研究，没有充分考虑关节摩擦、构件接触或碰撞等非线性因素的影响。针对这一问题，研究了一种大尺度空间平面可展开机构驱动配置多目标优化方法。首先，结合旋量理论与李群框架描述，采用牛顿-欧拉法建立了机构的动力学模型，同时考虑了铰链摩擦、面板接触碰撞及锁止机构等非线性因素的影响，其中基于冲量动量方程描述了机构展开过程中可能存在的构件碰撞。通过与多体动力学软件仿真结果进行对比，验证了所建立动力学模型的准确性。其次，以运动冲击、运动包络及面板应变最小化为优化目标，建立了驱动配置多目标优化模型，采用多目标遗传算法对驱动扭簧刚度与预载角进行协同优化，得到了一组Pareto最优解。将优化结果代入ADAMS软件进行仿真对比，结果表明，优化后的驱动配置在一定程度上减少了机构展开过程中的面板接触挤压情况，同时降低了面板的运动冲击，约束了机构的运动包络。研究内容对保障大尺度平面机构在轨可靠、精确、稳定展开具有一定的理论意义和工程应用价值。
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  基于Kresling折纸的力位组合约束可展支撑机构动力学研究

  畅博彦, 高宇晗, 金国光, 莫帅, 周杨

  机械工程学报. 2025, 61(21): 274-285. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.274

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  将Kresling折纸模型与变胞原理相结合，设计出一种具有“易展难压”特性的可展支撑机构。首先，基于约束螺旋理论和空间几何理论，分析山折支链与谷折支链的约束螺旋系及其反螺旋，发现山折机构与谷折机构均具有一个变节距螺旋运动自由度，但由于二者的节距不同，当山折支链和谷折支链布置在同一机构中时，将得到自由度为零的“难展难压”的支撑结构；其次，通过在谷折支链中引入变胞运动副的方式，设计得到三种“易展难压”的可展支撑机构，以6U₁U₁/6(P)U₂U₂机构为研究对象，基于欧拉梁理论建立机构支撑状态下的静力学分析模型，得到抗压刚度最优时山折支链和谷折支链刚度系数应满足的条件，并以此为基础对机构的结构参数进行优化；最后，推导出机构总势能与总动能的表达式，建立可展支撑机构的动力学模型并对不同初始条件下机构的运动路径进行数值计算与虚拟仿真。研究结果表明，机构具有双稳态特性和易展难压特性，所得结论可为高刚度大承载折展机构的设计提供理论与方法支撑。
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  可轮换用动平台的三自由度并联机构的拓扑设计与性能分析

  沈惠平, 佘星宇, 李菊, 叶鹏达, 朱小蓉, 朱伟

  机械工程学报. 2025, 61(21): 286-301. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.286

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  提出并设计了一种具有可轮换用动平台且部分运动解耦的并联机构，不需改变机构本身的拓扑结构，仅通过驱动副的控制就可实现其固有的三平移(3T)、两平移一转动(2T1R)两种运动输出模式。分别分析该机构在两种输出模式下的：① 拓扑学层面上的方位特征(POC)、自由度(DOF)、耦合度(k)；② 运动学层面上的符号式位置正反解、基于正解的工作空间求解、采用差分进化算法的机构几何尺寸参数优化设计、基于位置逆解的雅可比矩阵求解及其导出的机构奇异性；③ 动力学层面上的基于虚功原理序单开链法的机构三个驱动力的变化曲线；阐述了该机构两种模式下应用场景的概念设计；讨论了可轮换用动平台并联机构的优势和特点。研究拓展了多模式(可重构)机构的设计理念和方法，也拓宽了并联机构的设计思路与应用前景。
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  主次运动解耦混联驾驶模拟器的构型设计与参数优化

  卢文娟, 吴美琪, 孙思涵, 曾嘉豪, 曾达幸

  机械工程学报. 2025, 61(21): 302-317. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.302

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  为避免模拟驾驶器中主要运动(核心影响体感方向)性能的局限以及次要运动(体感不敏感方向)性能的冗余，考虑人体感知模拟机理对驾驶模拟器构型设计的物理有效性影响，开展基于主次运动解耦混联机构驾驶模拟器的构型设计与参数优化研究。首先，引入人体感知模拟理论，提出驾驶模拟的“主次运动解耦”与“串并混联”两个特性，发挥并联机构作为影响体感作用的主运动优势，以实现更好的运动学以及动力学性能；辅以串联机构输出次要辅助运动，提高实时性与工作空间；其次，基于自由度交叉分配与主次运动解耦策略，建立考虑人机运动感知中心点重合原则的混联综合准则，提出主次运动解耦混联机构型综合方法；再次，围绕“串主并次”“并主串次”以及“主次混合”三种基本组合类型综合出不同类型驾驶模拟器混联构型，且对比优选出P+P+R+3-RPS基础构型；然后，以运动学求解与参数优化为基础，构建一种六自由度模块化混联驾驶模拟器，并开展工作空间、强度与模态分析；最后，通过对比样机实验中伴随补偿前后的误差范围，验证了主次运动解耦特性在误差补偿、运动控制与体感模拟等方面的优势。该研究为提高驾驶模拟体验提供了新机型及优化思路。
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  稠化剂对脂润滑膜演化性能影响的试验研究

  金旭阳, 栗心明, 柏林清, 郭峰, GERHARD Poll, 张利

  机械工程学报. 2025, 61(21): 318-328. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.318

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  润滑脂稠化剂对润滑脂理化性能和机械动态性能产生明显影响，分别采用流变仪和球-盘点接触光干涉润滑油膜测量仪，对润滑脂的流变特性和润滑膜的演化过程进行了测试。结果表明，在充分供脂条件下稠化剂类型对润滑脂的成膜特性存在影响，其主要原因是润滑脂的表观黏度不同；在定量供脂条件下，锂基润滑脂的润滑状态优于其他类型的润滑脂。结合润滑脂的流变特性和滚道分布特征分析，发现润滑脂的回填特性与其储存模量、弹性模量及其交点处的剪应力相关，流变参数随着剪应力降低，是基础油析出量增加和回填的主要原因；黏附力和黏联性对润滑脂吸附、转移和表面分布特征产生影响。通过对试验后的滚道图进行分析，发现脂须状分布特征利于析出油的输运和回填。距离滚道不同距离的润滑脂承受不同程度的剪切，对于润滑脂膜的形成发挥不同的作用。
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  二维分形轮廓微凸体面积分布函数的研究

  刘帅, 原园, 刘晨茜, 乔路群

  机械工程学报. 2025, 61(21): 329-344. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.329

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  微凸体面积分布函数是对Korcak公式微分获得，其表达形式直接决定分形接触模型的准确性。根据Korcak公式建立了微凸体截面直径与数量的关系式N(Λ>l)=λ(l_max/l)^B，采用数值方法分别对Weierstrass-Mandelbrot函数、傅里叶变换和机械加工生成的二维分形轮廓进行分析计算，拟合出参数λ、B和l_max与分形参数、截断高度的数学表达式，并推导出修正的微凸体面积分布函数。结果表明：参数B仅与轮廓分形维数D和截断高度有关，在任意分形轮廓平均高度附近，B的值近似等于D?1；参数λ和l_max取决于基准取样长度、取样长度、轮廓参数等因素，不同的分形轮廓对应的λ和l_max表达式互不相同；对比Weierstrass-Mandelbrot函数、机械加工生成的二维分形轮廓的实测截断面积，修正的微凸体面积分布函数能较为精确获得不同类型分形轮廓的真实截断面积，而经典微凸体面积分布函数适用于取样长度为γ^-n_min的WM函数模拟的分形轮廓真实截断面积的计算。
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  基于Tγ/A-磨损率模型的U75V钢轨磨损预测研究

  苏家宝, 郭立昌, 丁昊昊, 安博洋, 徐井芒, 刘启跃, 王文健

  机械工程学报. 2025, 61(21): 345-354. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.345

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  随着货运列车运量和运行速度的提升，钢轨磨损加剧，降低了服役寿命并增加运营成本。研究建立了U75V钢轨材料Tγ/A-磨损率模型，结合动力学仿真与数值计算方法建立了钢轨磨损预测模型。利用预测模型对现场服役钢轨的磨损规律进行预测，基于预测模型对影响钢轨磨损的关键因素(轴重、蠕滑)进行分析。结果表明：所建立的U75V钢轨Tγ/A-磨损率模型可划分为三个不同磨损区域，仿真得到的钢轨磨损规律与现场实测结果基本一致，验证了该预测模型的合理性。轴重和蠕滑均与U75V钢轨的磨损深度呈正相关；轴重增加导致蠕滑减小，在轨顶接触区域，蠕滑对钢轨磨损影响较大；在轨侧接触区域，轴重对钢轨磨损影响较大。上述结果表明基于Tγ/A-磨损率模型的钢轨预测方法能够为现场钢轨磨损演化规律与减磨措施优化提供技术指导。
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  点胶阀撞针磨损失效机理与寿命预测研究

  刘水清, 徐浩然, 付锦园, 韩旭

  机械工程学报. 2025, 61(21): 355-364. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.355

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  微电子技术被视为电子信息产业的“心脏”，随着产品微型化和集成化程度提高，芯片粘结部位小至微米级，意味着微电子封装时点胶位置精度及胶滴一致性需达到微升甚至纳升级。点胶阀核心零部件撞针磨损畸变导致使役寿命降低是其主要故障模式。基于此，通过开展撞针亿次周期内循环点胶实验和微结构表征分析，揭示撞针冲击微动磨损机理；构建撞针冲击微动磨损模型，通过动力学仿真分析撞针磨损过程中冲击力和位移的变化趋势，结合流体动力学探明撞针磨损对点胶一致性的影响规律；依据点胶精度要求确定失效阈值，通过磨损模型实现对点胶阀撞针使役寿命的精准预测，降低点胶阀检测与维护成本，为国产高可靠性长寿命点胶机器人的寿命预测提供理论依据和技术支撑。
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  基于相关性分析的自适应变权组合代理模型

  王一棠, 庞勇, 宋学官

  机械工程学报. 2025, 61(21): 365-374. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.365

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  为了弥补工业产品开发中设计周期长、实验成本高等缺陷，代理模型已经成为工程应用中不可或缺的一项技术。利用多种类型单一代理模型进行组合建模可提高模型的稳定性和预测精度。但是，单一代理模型的组合建模仍面临模型复杂度高、泛化能力差等挑战。在此背景下，提出了一种基于相关性分析的自适应变权组合代理模型。该模型分为代理模型库筛选和自适应权重计算两部分。在模型筛选阶段，首先将斯皮尔曼相关系数和交叉验证误差相结合作为模型筛选的基准，进而得到全局最优模型和代理模型库。然后，利用误差倒数变权法，为模型库中各组分代理模型计算自适应权重系数。最后，根据组合代理模型公式将各组分模型进行连接，得到最终预测模型。所提组合代理模型考虑了各单一代理模型的全局精度和局部精度。试验结果表明，所提模型与对比的组合代理模型相比，具有更好的性能。
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  倒锥长度对气液旋流分离器性能影响研究

  邢雷, 关帅, 蒋明虎, 赵立新, 李新亚, 陈德海

  机械工程学报. 2025, 61(21): 375-388. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.375

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  同井注采技术是高含水油田经济开采的有效途径，井下狭窄空间内的气液高效分离是保障同井注采规模化应用的技术关键。针对一种适用于采油井筒内的紧凑式气液旋流分离器结构，采用数值模拟、流场测试及性能实验相结合的方法，对紧凑式气液旋流分离器的倒锥长度，这一影响气液分离性能的关键参数开展系统分析，探讨倒锥长度对气液分离过程中的相界面演化及分离特性的影响规律。结果表明：紧凑式气液旋流分离器的倒锥长度直接决定分离过程中的气核轴向分布位置及形态，适当的倒锥长度可以强化气液分离过程进而提升分离性能。研究发现随着倒锥长度的增加，气核宽度逐渐增加，轴向延展长度减小，旋流腔内流场的轴向速度和切向速度由于过流面积的缩减而逐渐增加。研究确定了最佳倒锥长度系数0.3，此时气液分离器的压力损失最小，动态效率系数达到最低值0.6，微气泡颗粒综合停留时间最短为0.34 s，气相分离效率达到最高值97.8%。研究结论对揭示涡旋流场内气液两相流动及界面变形机理起到一定推动作用，为井下气液高效分离设备的研发及应用提供指导和参考。
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  面向复杂曲面集群加工的混联机构设计与分析

  赫利涛, 房海蓉, 陈宇飞, 金政贤

  机械工程学报. 2025, 61(21): 389-402. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.389

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  为满足未来多任务场景下航天运载器贮箱加工需求，实现大型复杂曲面高质量、高效率加工，提出一种多机器人混联单元集群加工方法，并围绕其中的机器人混联单元构型设计难题，重点开展混联机构的设计与分析。首先，通过分析复杂曲面加工任务需求，构建了分区域协同作业的多机器人混联单元集群加工模式，并确定了机器人混联单元的功能要求。然后，设计了一种新型可重构大伸展6-PRRRR-P₁-SP₂S混联机构，并分析了其重构模式、自由度以及运动学。接着，以典型重构构型6-PRRRR-SP₂S混联机构为对象，通过开展运动学性能分析以及尺寸优化，有效提升了各项性能。最后，利用运动学理论计算与仿真分析，并搭建缩比样机实验平台，验证了机构功能可以满足要求。设计的可重构大伸展混联机构具有工作空间大、灵巧性高、刚度大的特点，为工程应用提供了理论支撑，未来可应用于大型贮箱复杂曲面的集群加工。
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  碳纤维增强热塑性复合材料感应焊接研究进展

  路鹏程, 王志平, 袁晓光

  机械工程学报. 2025, 61(21): 403-426. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.403

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  碳纤维增强热塑性复合材料(Carbon fiber reinforced thermoplastic composite, CFRTPC)由于其高损伤容限、高抗冲击、高抗疲劳、耐腐蚀、可再成型、可修复和可回收等优异性能，成为继铝、镁合金，热固性复合材料的新一代轻量化材料。连接制造是民用航空器CFRTPC结构制造、装配的重要步骤之一，因此，国际上已经研究开发了多种CFRTPC结构的连接技术方法。其中，焊接在CFRTPC结构的连接、组装和损伤修复方面具有巨大潜力，并且与传统的机械连接和胶接连接技术相比还具有许多优势。针对CFRTPC感应焊接技术进行了概述，从CFRTPC感应焊接设备、产热机理、焊接工艺参数、数值模拟、质量控制和评价，以及其他因素等多方面进行分析，系统讨论CFRTPC感应焊接最新研究成果，展望了CFRTPC感应焊接中有待解决的共性问题，为CFRTPC工件的大规模制造、装配和损伤修复等应用提供参考。
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  高深径比CFRP微孔变入射角激光加工试验研究

  马尧, 王禹祺, 徐文俊, 崔家荣, 李军, 罗涛, 周伟

  机械工程学报. 2025, 61(21): 427-436. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.427

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  碳纤维增强复合材料(Carbon fiber reinforced plastic，CFRP)拥有比刚度和强度高、热稳定性和耐腐蚀性好等优异特性，在航空航天、医疗和国防等领域应用广泛。然而，CFRP中纤维和树脂基体的材料特性差异导致传统方法难以加工高深径比CFRP微孔。为此，设计搭建变入射角(Angles of incidence，AOI)超快激光加工系统，研究该系统加工高深径比CFRP微孔的能力，系统分析激光脉冲能量、扫描速度和AOI对直径200 μm、深径比10:1的CFRP微孔加工质量的影响。结果表明，激光脉冲能量和扫描速度显著影响微孔入口和出口热影响区(Heat-affected zone，HAZ)大小，AOI则显著影响微孔锥度；变AOI的螺旋扫描加工策略可有效解决固定AOI在聚焦深度变化时的能量分布不均问题，极大减小微孔锥度，甚至可实现负锥微孔加工；合理的修边和清扫策略可以有效减小侧壁粗糙度，最小Ra<0.8 μm。最后，通过加工2×3的微孔阵列，验证工艺参数优化的有效性，表明变入射角激光在高深径比CFRP微孔加工方面的巨大潜力。
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  SiC_f/SiC复合材料与钴基高温合金的铜基复合钎料钎焊工艺研究

  杨佳, 张守壮, 鲁旋, 徐新, 王策, 林盼盼, 梅寒, 刘悦, 何鹏, 林铁松

  机械工程学报. 2025, 61(21): 437-445. https://doi.org/10.3901/JME.2025.11.437

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  针对SiC_f/SiC复合材料与钴基高温合金连接中存在的应力大及界面反应难控制的问题，制备了CuTi+NbB₂复合钎料并探究了Ti含量、NbB₂含量对接头界面微观组织以及力学性能的影响规律，最终实现了SiC_f/SiC复合材料与钴基高温合金的成功连接。接头典型组织为GH5188/Cu+(Co, Ni, Cu)Ti₂+TiC_0.5/Cu+(Ni, Co, Cu)Ti+(Co, Ni, Cu)TiSi+TiC_0.5/TiC_0.5+Cr₂C₃/ SiC+Cu/SiC_f/SiC。随着Ti含量的增加，母材反应程度加剧，界面主要产物由碳化物转变为硅-钛-镍三元相。而随着NbB₂含量的增加，金属侧钎料区的厚度也明显减小，而陶瓷侧钎料区的厚度有明显增加，焊缝产物逐渐从CoTi₂转变为CoTi(Si)相。NbB₂第二相作为形核点使得反应相在钎缝中的分布也更为均匀，而非富集在界面处；同时有限元结果也表明其存在能够有效地降低接头的残余应力。接头在1 050 ℃/10 min，0.1 wt% NbB₂的条件下获得了最优的接头强度，其值达到72 MPa，强度是不加NbB₂的1.2倍。陶瓷侧断口主要分为两个区域：填充区域以及TiC_0.5、Cu-C反应层失效而带来的断裂区域。通过陶瓷颗粒增强的方式设计了复合铜基钎料，首次实现了SiC_f/SiC复合材料与钴基高温合金的可靠连接并明晰了相关机制，为后续航空发动机热端部件的研发与制造提供了理论基础。
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  基于等效运动学误差的高精密机床精度校准研究

  李天箭, 黎峻刚, 王瀚, 丁晓红, 林志俭

  机械工程学报. 2025, 61(21): 446-454. https://doi.org/10.3901/JME.2025.21.446

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  随着机床精度的提高，明确有效的机床校准方法与方案日益成为困扰高精密机床研发、生产和应用行业的难题。本文从机床校准的三个主要技术要素——机床加工误差的建模理论、测量方法和补偿策略出发，以构建机床等效运动学误差函数为基础，提出一套完整的包括特征样件设计加工测量方法和机床带载加工补偿策略的高精密机床精度校准方法并应用于实际高精密机床校准中。首先，基于多体系统理论建立从刀具到工件的机床完整运动链的运动误差模型，明确机床的运动误差与被加工件的几何误差之间的数学映射关系。进而，对机床运动关系进行分析，确定9个等效运动误差函数表征三轴机床的21个运动误差。第三，设计、加工和测量特征样件，实现等效运动误差解耦和带载条件下等效运动误差解析和预测。最后，将带载条件下等效运动误差数据写入机床加工程序，加工并测量典型试件，校准后机床加工零件的同心度、垂直度、平行度、倾斜度等误差减小12.31%～74.47%。基于等效运动学误差的高精密机床精度校准方法在不需要分辨机床误差来源的条件下，预测机床被加工件的几何误差并进行补偿，实现机床精度性能表征、验证、维护和改进。本研究为机床厂商和终端用户提供了一种简易有效的带载精度校准方法。