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期刊信息/Journal information
机械工程学报
机械工程学报

宋天虎

半月刊

0577-6686

jme@cmes.org cjme@263.net

010-88379907

100037

北京百万庄大街22号

机械工程学报/Journal JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERINGCSCD北大核心CSTPCDEI
查看更多>>本刊进登机械工程方面的基础理论、科研设计和制造工艺等方面的学术论文，报道自然科学基金项目论文和国外学者的论文反映本学科的最新发展和最新科研成果。在国内外机械科技领域享有很高声誉，并有较大影响。曾荣获“中国期刊奖”，在中国科协、北京市和全国科技期刊评比中均获得奖励。在国内已成为机械类和力学类核心期刊。已被美国工程索引（EI）等国内外20余种文摘刊物和数据库收录。
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    张拉整体球形机器人构型设计与控制研究进展

    张立元杨锦波李澳杨庆凯...
    1-18页
    查看更多>>摘要：随着科学探索和工程实践对无人化需求的持续提升,机器人已成为航空航天、工业生产等领域必不可少的关键装备,兼具构型柔性和承载刚度的张拉整体球形机器人在深空探测、灾害救援等非结构化应用场景备受关注.在简述张拉整体基本理论的基础上,围绕张拉整体球形机器人的初始构型设计与运动构型控制,重点概述了此类机器人的设计参数与性能参数,运动模态及基本原理,传统与新兴控制方案,模拟环境与仿真技术,以及现有样机形式等多方面的研究现状与发展趋势,为开发张拉整体球形机器人的姿态控制技术提供理论参考.

    张拉整体球形机器人构型设计运动控制力学建模

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    新型SSRMS构型可重构空间机械臂的运动学奇异性分析

    赵智远杨晓航徐梓淳李云涛...
    19-35页
    查看更多>>摘要：大型化、多样化和高精度化的在轨建造任务日趋增多,对舱外作业空间机械臂的能力提出了新的需求.传统SSRMS构型空间机械臂虽然被广泛地应用于在轨服务,但是其具有针对于特定任务设计的结构特点,限制了单个机械臂执行不同种类任务的能力,难以适应未来在轨任务复杂化发展的应用需求.为此,提出了一种新型的具有两个被动式伸缩臂杆的SSRMS构型可重构空间机械臂,并对其运动学奇异性进行了深入分析.首先,通过介绍新型机械臂的结构特点及可重构原理,总结了此类机械臂的工作性能优点,证明了其具备在未来的复杂在轨任务中扮演重要角色的潜力.然后,建立了新型机械臂分别在自由空间操作和重构操作时的微分运动学方程,通过对微分逆运动学方程的分析确定出了包含运动学奇异条件的雅可比矩阵.接着,提出了一种简单可靠的运动学奇异性分析方法,在雅可比矩阵中求解得到了新型机械臂的全部运动学奇异条件.最后,以新型机械臂为例进行了实验验证,结果表明:奇异条件不仅能够正确的确定出新型机械臂的奇异位形,而且在机械臂执行操作任务时可作为先验条件指导机械臂的避奇异运动控制,为操作任务的可靠执行提供了有力保障.

    空间机械臂可重构机械臂被动式伸缩臂杆微分运动学奇异性分析

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    基于数据融合与知识推理的机器人装配单元数字孪生建模方法研究

    刘达新王科刘振宇许嘉通...
    36-50页
    查看更多>>摘要：目前机器人作业任务规划通常依赖于人为手动示教与离线编程,这往往需要操作人员花费大量的时间精力对机器人的操作流程进行定义与程序编写.为了进一步提高机器人装配作业任务规划的自主性和高效性,提出一种基于数据融合与知识推理的机器人装配单元数字孪生建模方法,研究机器人装配单元从物理空间到虚拟空间的高保真映射,为后续机器人在数字孪生环境下的自主动态装配作业奠定基础.将机器人装配单元数字孪生模型分为机器人与工艺工装、产品以及机器人装配过程三个部分,并分别提出了基于虚实映射的机器人与工艺工装数字孪生建模方法、融合多源异构数据的产品数字孪生建模方法以及基于知识推理的机器人装配作业过程数字孪生建模方法,在此基础上实现机器人装配作业任务的快速规划和仿真验证.最后将所提方法应用在某款步进电机的机器人装配作业任务规划中,验证了提出的方法在实际应用场景下的有效性.

    数字孪生工业机器人装配建模任务规划

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    基于折纸结构的收纳式软体抓手设计与试验

    邓栋轩李纪辉朱志韦邓子辰...
    51-58页
    查看更多>>摘要：现有气动软体抓手的运动范围大多受初始长度限制,难以实现小存储体积、大包络范围的设计目标.结合气动结构和折纸结构的特点,提出了一种高收纳比、弯曲-展开耦合运动的软体抓手设计方案.基于三浦折纸结构,设计了一种可弯曲折展的管状折纸模型,并且基于面板刚性假定,分析了边长、夹角等几何参数对该折纸结构曲率半径和弯曲角度的影响;考虑软体抓手的壁厚,利用有限元软件分析了软体抓手的变形行为;采用3D打印和逐层浇筑的方式制作抓手样品,验证了软体抓手的展开和抓取性能.该研究成果可为太空垃圾抓取机器人的设计提供理论支持.

    折纸结构高收纳比软体抓手逐层浇筑

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    基于敏感度分析的单自由度Stephenson机构多目标轨迹综合方法

    赵萍张涯婷程悦徐宏伟...
    59-69页
    查看更多>>摘要：单自由度机构控制简单、稳定性强,但只能实现一个特定的运动形式.因此提出多模式单自由度六杆Stephenson机构设计方法,使其在保留单自由度机构优点的同时,能够通过选定的可调参数来实现多个目标轨迹.对单自由度Stephenson机构进行了运动分析,并结合其运动学方程,对九个杆长设计参数实施了敏感度分析,明确不同设计参数的变化趋势对末端生成轨迹的影响.依据轨迹变化趋势的差异化程度设计评价函数,构建不同可调参数的分析与对比方法,并以来自不同人群的多条下肢步态轨迹综合为例,通过敏感度分析及评价函数值对比,确定l6为最优的可调设计参数,进行多模式Stephenson六杆机构的多目标轨迹综合和参数设计.结果表明,通过调节l6杆长参数,三条目标轨迹均可在该单自由度机构上得到较好实现.对该多模式单自由度Stephenson机构进一步分析表明,其运动学性能良好,以此机构为执行器设计下肢步态康复装置,不仅结构简单、控制方便,还能对不同的目标人群都具有较好的适应性.

    单自由度机构敏感度分析轨迹综合康复机构设计

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    高速薄辐板齿轮传动节径型振动位移与动应变时空变换方法

    魏静刘指柔魏海波徐子扬...
    70-80页
    查看更多>>摘要：高速薄辐板齿轮传动功率密度高,在航空动力传动系统中应用广泛,但节径型共振模态密集、振动能量高,是高速薄辐板齿轮传动疲劳损坏的主要形式之一.节径型振动位移与试验动应变呈非正相关关系,振动响应与动应力之间缺少直接量化的纽带,为此,提出一种高速薄辐板齿轮节径型振动位移与动应变时空变换方法.综合考虑节径型振动下试验动应变与振动位移行波之间的空间向量关系,建立试验动应变与振动位移变换函数,并给出偏微分方程的时空离散解与动应变-振动位移变换方法;根据试验动应变时/频信号以及不同节径数下齿轮行波模态特性,获取振动位移时空离散解.理论与试验结果表明,某试验齿轮在3节径下出现明显行波共振,理论仿真的振动频率、转速与试验结果基本一致,验证了所提理论和方法的正确性与可行性.

    薄辐板齿轮节径振动振动位移动应变时空变换方法

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    变双曲圆弧齿线圆柱齿轮传动界面磨损规律及敏感性分析

    魏永峭张晋王少江漆小虎...
    81-94页
    查看更多>>摘要：为揭示变双曲圆弧齿线圆柱齿轮(VH-CATT圆柱齿轮)齿面磨损特性,结合Archard磨损理论与主平面重合的椭圆等效接触模型,建立了 VH-CATT圆柱齿轮传动界面磨损模型,利用有限元方法获取了齿面法向载荷与接触压力,通过数值计算验证了所建立模型的正确性,并探究了准静态工况下VH-CATT圆柱齿轮传动的齿面磨损规律.研究结果表明,VH-CATT圆柱齿轮沿齿线方向的磨损深度呈半椭圆形分布,在齿根附近磨损深度最大,在节圆附近磨损深度最小,啮合频次的增加对齿面磨损深度的影响逐渐趋于平缓;通过设计参数的敏感性分析可知,增大传动比、模数、齿线半径、压力角可以有效地改善齿面磨损.研究可为提高VH-CATT圆柱齿轮传动精度与效率、减磨延寿提供理论基础.

    变双曲圆弧齿线圆柱齿轮传动界面Archard磨损理论齿面磨损敏感性分析

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    基于奇异摄动的刚柔耦合Delta机器人非线性混合控制

    商德勇黄云山黄欣怡潘崭...
    95-106页
    查看更多>>摘要：在高速运动中,Delta并联机器人杆件发生的弹性变形和振动对运动性能的影响不可忽略.针对有限元法离散柔性杆时出现方程维度高且难以适用于主动控制的问题,通过假设模态法和Kane方法,对Delta刚柔耦合并联机器人进行动力学建模.通过添加闭链刚柔耦合系统运动学位置、速度、加速度约束方程,建立了闭链形式的Delta并联机器人的刚柔耦合动力学方程.针对Delta并联机器人刚柔耦合动力学模型复杂度高的问题,利用奇异摄动法,将刚柔耦合动力学模型依据时间尺度分解为快变和慢变两个子系统.为避免扰动的影响并保证收敛性,针对慢变系统设计了非奇异终端滑模控制器;为抑制弹性振动对运动的影响,针对快变系统设计了 LQR最优控制器,并将两个子系统的控制器合并为刚柔耦合系统的非线性混合控制器.仿真对比实验证明,所设计的混合控制器不仅保持了更高精度的轨迹跟踪,而且实现了明显的振动抑制效果,为Delta刚柔耦合并联机器人的主动跟踪控制和振动抑制提供了新思路.

    并联机器人刚柔耦合假设模态法Kane方法奇异摄动

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    腰部外骨骼机器人多刚-柔体动力学等效逆解方法研究及其性能优化综合

    周祖意杨玉维齐文耀龚健超...
    107-118页
    查看更多>>摘要：针对减轻腰部运动负载对其疾病防治的重要性,提出一种具有人体生物力学特性的多自由度仿生腰部无动力外骨骼机器人研究原型,继而针对其计及人机共融性的运动承载仿生工作机理的有效实现,深入开展基于多刚-柔体动力学逆解的系统仿生综合性能优化及其方法研究.首先,基于相关离体生物力学实验数据,构建人体腰椎仿生等效复合刚度力学模型,进而于人体矢状面内搭建人机穿戴并联系统多刚-柔体正动力学模型;其次,旨在腰部外骨骼机器人性能优化综合的有效实现,提出一种新型动力学综合性能评价指标——仿生承载舒适度;再次,相对于柔性逆动力学频域法求解的非因果复杂性,提出一种通过正动力学线性优化迭代逼近多刚-柔体动力学逆解的等效方法,以实现外骨骼机器人穿戴前后人体胸椎运动轨迹的一致性;最后,深入开展人机穿戴并联多刚-柔体系统仿生综合性能优化研究,进而得到外骨骼机器人最优设计参数组.仿真结果表明:外骨骼机器人穿戴前后,在保障人体胸椎在矢状面内弯曲角度轨迹误差极小(4.5×10-6(°))工况下,人体等效受力较穿戴前得到明显改善;优化后的外骨骼机器人穿戴舒适性指标明显提升,从而证明了腰部外骨骼机器人具有较好的动力学仿生综合性能,以及所采用研究方法的合理有效性.同时,优化后的系统设计参数对后续腰部外骨骼机器人物理样机的建造及相关实验的开展具有重要意义.

    腰部无动力外骨骼机器人多刚-柔体正动力学等效逆动力学仿生承载舒适度综合性能优化

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    三峡升船机齿轮齿条运行载荷与疲劳寿命研究

    师陆冰张志宏闫晓青汤伟毕...
    119-129页
    查看更多>>摘要：通过三峡升船机实测运行数据分析,研究了升船机不同运行工况下的齿轮齿条载荷变化规律,并通过数据拟合结果建立齿轮齿条载荷计算模型.利用载荷模型与升船机不同行程内的船厢水深分布规律编制了多工况组合下的齿轮齿条载荷谱,通过齿轮齿条疲劳寿命计算,并结合前期的全尺寸模拟试验结果验证了三峡升船机齿轮齿条传动系统的服役可靠性.研究表明,三峡升船机齿轮齿条载荷主要由受船厢水深、运行状态控制的确定性载荷与一个服从正态分布的随机载荷偏差构成,通过数据拟合建立了升船机齿轮齿条载荷计算模型;受升船机运行模式与船厢水深变化影响,齿轮齿条上下齿面均会发生受载,且不同区域处齿条受载情况不一致,因此需要分区域编制载荷谱;对于驱动齿轮与中部齿条,载荷主要集中于齿轮下齿面与齿条上齿面,对于顶部和底部齿条,载荷分别集中于齿条的下齿面和上齿面,且其载荷较中部齿条更为显著;对于受载条件最为恶劣的底部齿条上齿面,计算得到滚动接触疲劳损伤损伤度仅达到1.36×10-5,对应的齿条实际疲劳寿命可达到3.11×1011次行程,远远超出齿条设计寿命;前期完成的全尺寸齿轮齿条模拟试验结果也同样验证了三峡升船机齿轮齿条传动系统在设计寿命周期内不存在疲劳损伤风险.

    三峡升船机齿轮齿条运行载荷载荷谱疲劳寿命

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