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1. 考虑摆线轮磨损的RV减速器传动精度可靠性分析与参数优化
刘江,肖正明,张龙隆,刘卫标
工程设计学报    2022, 29 (6): 739-747.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.081
摘要   HTML PDF(pc) (1725KB)(326)   

针对RV (rotate vector)减速器在工作过程中存在的零件磨损导致传动精度下降的问题,建立了考虑摆线轮磨损的RV减速器传动精度动态可靠性模型,进行传动精度可靠性分析,并对关键零件的公差以及摆线轮的修形参数进行优化设计。以某重载RV减速器为研究对象,利用Archard磨损公式对摆线轮的磨损深度进行计算,分析轮齿齿廓磨损的分布情况,并基于数值仿真数据利用高斯过程回归模型预测磨损量;建立了含动态磨损的RV减速器传动精度可靠性模型,用蒙特卡洛法求解其动态可靠度;建立了以传动精度动态可靠度为约束条件,以加工成本最低、额定寿命周期内最大磨损量最小为优化目标的优化模型,采用多目标遗传算法求得最优解。结果表明;优化后摆线轮的磨损量略微增大,而减速器的加工成本明显降低;优化后减速器传动精度可靠度得到明显提高,在额定寿命6 000 h内的可靠度满足预期要求。研究结果可以为高精度RV减速器的设计提供参考。

2. 基于功能表面驱动与可拓工具的产品人机工程问题确定方法研究
白仲航,艾琳璟
工程设计学报    2023, 30 (5): 531-544.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.062
摘要   HTML PDF(pc) (3766KB)(272)   

为了准确地确定产品人机工程问题,以提升人机交互性能,运用TRIZ(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc,发明问题解决理论)提出了基于功能表面驱动与可拓工具的冲突区域确定方法。首先,利用功能表面改进功能过程模型,识别人机工程问题的初始问题功能元,并结合可拓表达和相关分析完成初始问题功能元的转换及最终问题功能元的确定。然后,利用功能表面改进功能关系模型,识别产品的初始冲突区域,并结合可拓表达、相关分析、蕴含分析和优度评价完成初始冲突区域的转换及最终冲突区域的确定。最后,利用标准解对冲突区域中的不良作用进行求解,并通过优度评价完成方案的评价和筛选。通过割草机改进设计实例验证了所提出方法的可行性。研究表明,该方法有助于交互式产品冲突区域的确定,提高了其人机工程问题的解决效率。

3. PDC钻头布齿技术研究综述
马亚超,陶垒,荣准
工程设计学报    2023, 30 (1): 1-12.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.006
摘要   HTML PDF(pc) (4174KB)(316)   

PDC(polycrystalline diamond compact,聚晶金刚石复合片)钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具,具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元,决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置,使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此,PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究,但目前仍缺乏系统性的总结。为此,以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础,总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程,主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结,指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考,有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。

4. 电主轴冷却系统设计与仿真优化
李毅,陈国华,夏铭,李波
工程设计学报    2023, 30 (1): 39-47.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.008
摘要   HTML PDF(pc) (3401KB)(229)   

为解决电主轴因内部温度场复杂而造成冷却效果差的问题,设计了一种用于电主轴冷却的水冷机系统。根据电主轴热特性分析结果,提出了水冷机冷却方案,计算了相关的传热参数,并建立了电主轴温度?流速控制模型。然后,利用ANSYS Fluent软件对电主轴进行了流体冷却有限元仿真,并通过电主轴冷却实验对仿真结果进行了验证。通过对比仿真结果和实验结果可知,冷却后电主轴电机定子最高温度约下降了60%,转轴的形变量约降低了70%。结果表明:利用水冷机系统对电主轴进行冷却具有良好的冷却效果,这可为高精密机床主动热控制技术的研究提供一定的借鉴和参考。

5. 电流体泵驱动的柔性弯曲执行器的设计及分析
张涛,王开松,唐威,秦可成,刘阳,石雨豪,邹俊
工程设计学报    2023, 30 (4): 467-475.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.056
摘要   HTML PDF(pc) (3314KB)(178)   

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题,基于人手指弯曲抓握的运动特点,设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵,通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响,确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸,研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联,分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系,确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器;建立了柔性执行器的力学模型,对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验,得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系,证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致,理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成,使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形,实现了柔性弯曲执行器的可携带性。

6. 基于FMI的轴向柱塞泵分布式联合仿真与动态优化
郭志敏,戴海曙,翟江,洪昊岑,王柏村,谢海波,杨华勇
工程设计学报    2023, 30 (4): 495-502.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.058
摘要   HTML PDF(pc) (4508KB)(177)   

运用联合仿真的方法能够实时分析柱塞泵的运动学、动力学性能以及液压系统特性,其可广泛应用于柱塞泵产品的设计与优化。针对传统优化过程中分析与优化的离散化、效率低等不足,提出了一种基于功能模型接口(functional mock-up interface,FMI)的轴向柱塞泵分布式联合仿真方法,通过开发自动优化组件,实现对阻尼槽结构参数的迭代优化。首先,进行柱塞泵轴系运动学、动力学分析,建立其运动模型和受力模型,来确定轴系组件的约束关系;其次,搭建了柱塞泵联合仿真模型,研究了柱塞的运动、受力和变形特性;然后,基于云端服务器搭建了柱塞泵分布式联合仿真模型,通过FMI技术实现了各个仿真软件的同步调用;最后,基于云平台架构,开发了柱塞泵阻尼槽优化设计模板,实现了对阻尼槽最优结构参数的求解及其模型自动创建。仿真结果表明,阻尼槽结构优化后,柱塞泵出口流量脉动率降低了35.78%。所提出的方法能有效提高仿真与优化的效率,减轻研发人员的工作负担。

7. 爬壁机器人悬摆式磁吸附机构的设计与优化
张栋,杨培,黄哲轩,孙凌宇,张明路
工程设计学报    2023, 30 (3): 334-341.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.031
摘要   HTML PDF(pc) (4821KB)(177)   

为了解决爬壁机器人壁面适应能力差、运动灵活性低等问题,分析了现有爬壁机器人磁吸附机构存在的不足,并以轮式爬壁机器人为研究对象,根据爬壁机器人的功能要求,设计了一种壁面自适应悬摆式磁吸附机构。通过Ansoft软件对悬摆式磁吸附机构和传统磁吸附轮进行了对比分析。为了进一步减小磁吸附机构的质量,同时提高其吸附可靠性,基于高磁能利用率的目标,采用SNLP(sequential non-linear programming,连续非线性规划)算法对悬摆式磁吸附机构的结构参数进行优化,优化后磁吸附机构的吸附力增大了25.52%。研制了悬摆式磁吸附车轮样机,开展了吸附力测试实验和卸磁实验,并将其安装在爬壁机器人上,开展了运动性能测试实验,验证了磁吸附机构结构参数优化结果的合理性和结构设计的实用性。研究结果为提高爬壁机器人的工作性能提供了参考。

8. 大转动惯量缠绕机加减速曲线优化设计
窦方健,邱清盈,管成,邵锦杰,吴海峰
工程设计学报    2023, 30 (4): 503-511.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.052
摘要   HTML PDF(pc) (2619KB)(172)   

针对大转动惯量碳纤维缠绕机的加速和减速阶段运行不平稳、传动件易失效破坏等问题,提出了一种基于改进型Sigmoid加减速曲线的主轴运行曲线优化方案。首先,利用五次多项式对传统Sigmoid加减速曲线的跃变处进行补偿,以约束曲线起始点、衔接点、终止点的速度、加速度和急动度(加加速度)。然后,基于改进曲线的速度与加速度函数建立缠绕机的负载扭矩、电机输出功率、主轴强度与刚度以及缠绕圈数的数学模型,并以各阶段运行时长为设计变量、以电机最大输出功率最小和总运行时长最短为优化目标对曲线进行多目标优化,根据缠绕圈数、传动件强度与刚度等的约束条件,利用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ(non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ,非支配排序遗传算法-Ⅱ)求解模型的非支配解集,并利用比重选取函数选择最优解。最后,通过AMESim-ADAMS联合仿真对比加减速曲线优化前后缠绕机的运行效果。结果表明:优化后缠绕机的总运行时长、最大加速度、最大负载扭矩和最大输出功率分别降低了41.7%,75.8%,75.5%和72.8%,且主轴的运行曲线更加平滑,验证了优化方案的可行性。研究结果为大转动惯量旋转设备的运行不平稳或传动件失效问题提供了一种新的解决思路。

9. 基于数字底座的涂装车身缓存区智能设计与调度优化
王柏村,朱凯凌,鲍劲松,王峰,谢海波,杨华勇
工程设计学报    2023, 30 (4): 399-408.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.057
摘要   HTML PDF(pc) (4487KB)(170)   

在汽车生产环节进行数字建模、系统仿真与优化对提升汽车的生产质量和效率具有重要意义。为了解决目前汽车制造企业普遍存在的因数据链断裂而导致的资源配置效率低下等难题,以汽车涂装车身缓存区(painted body storage,PBS)为研究对象,提出了一种新型的数字底座平台,来实现数据链整合和多源异构数据融合。同时,设计了一种针对PBS的车身调序策略,考虑了总装工艺对车序优化的约束,采用遗传算法获得了PBS出车序列,然后以逆序数对为参考指标,进行PBS车道排布。将基于数字底座的PBS系统应用于某汽车制造企业,应用效果验证了所提出方法和策略的有效性。研究结果为企业构建内部集成制造平台和设计具体车间单元提供了参考。

10. 情感化设计的主要理论、方法及研究趋势
丁俊武, 杨东涛, 曹亚东, 王林
工程设计学报    2010, 17 (1): 12-18.  
摘要   HTML PDF(pc) (4387KB)(10785)   
在设计中考虑消费者的情感诉求是产品创新设计的重要发展趋势.通过对国内外相关文献的综述,论述了情感化设计的概念,重点分析了情感化设计中的感性工学理论、三层次理论和情感测量及参数转换的方法和技术,同时把情感化设计的主要研究领域分为产品造型、功能和文化三部分加以论述.最后,针对产品创新设计和相关技术的发展现状,提出了情感化设计研究中存在的问题和主要发展趋势.
11. 气动软体采摘机械手设计及实验研究
李三平,孙腾佳,袁龙强,吴立国
工程设计学报    2022, 29 (6): 684-694.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.085
摘要   HTML PDF(pc) (4505KB)(244)   

针对传统刚性采摘机械手适用范围小、环境适应性差及对果蔬损伤大等问题,设计了一种面向沙果采摘的刚柔耦合气动软体采摘机械手。根据沙果的结果特点以及采摘要求,确定了六指包裹式采摘形式。以龙丰果为例,建立了采摘机械手软体手指弯曲角度计算模型,确定了单指的弯曲角度;通过3种硅胶材料的拉伸对比实验,选定HY-E620型硅胶作为软体手指的材料;开展了多种结构对软体手指弯曲性能影响的ABAQUS有限元仿真分析,确定了较优的结构;利用实验测定了不同驱动气压条件下单根软体手指弯曲角度与输出力的对应关系,并在0.08 MPa驱动气压下对多种水果进行三指抓取实验,验证了软体手指结构的合理性。最后,试制了六指包裹式气动软体采摘机械手,并分别对沙果、苹果、梨和橘子等进行了采摘实验。结果表明:所设计的采摘机械手不仅对含3~6个果实的成串沙果的采摘成功率达到80%,还可采摘苹果、梨和橘子等类球形水果,具有一定的通用性,可为水果采摘机械手的设计与研究提供新思路。

12. 一种具有力检测机制的新型血管介入手术机器人
陈翼楠,蒲志新,郑珍妮
工程设计学报    2023, 30 (1): 20-31.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.016
摘要   HTML PDF(pc) (6561KB)(233)   

为了在机器人辅助远程介入手术中实现向医生提供高精度的力反馈,设计了一种具有力检测机制的新型血管介入手术机器人,其是一个主从控制系统,包括一个操作方便的主端装置和一个递送导丝/导管的从端装置。首先,设计了血管介入手术机器人的力检测机制,以实现轴向近端力的精准测量和径向夹紧力的感知。然后,基于血管介入手术机器人的动力学分析,设计了具有在线整定参数功能的模糊PID(proportional integral derivative,比例积分微分)控制器,以提高从端装置的递送精度和抗干扰能力,同时选择阶跃信号对所设计的模糊PID控制器进行仿真验证。最后,搭建血管介入手术机器人物理样机,并开展主从运动跟踪实验和轴向近端力、径向夹紧力检测评估实验。实验结果表明,该血管介入手术机器人具有[-0.31, 0.25] mm的运动跟踪误差,可检测平均误差为0.12 N的轴向近端力以及可感知0.47~4 N的径向夹紧力。研究结果验证了所设计血管介入手术机器人的鲁棒性以及其力检测机制的可行性,可为同类产品的设计和改进提供参考依据。

13. 小型陆空变形两栖机器人的设计与分析
杨展,李其朋,唐威,秦可成,陈岁繁,王铠迪,刘阳,邹俊
工程设计学报    2023, 30 (3): 325-333.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.043
摘要   HTML PDF(pc) (3333KB)(158)   

多功能小型机器人具有广阔的应用前景。为满足不同的作业需求,设计了一种小型陆空变形两栖机器人,其既可以实现高效的地面移动,又能通过升空飞行来避开障碍物。该机器人采用双模式设计,地面模式采用两轮驱动的运动设计,飞行模式采用四旋翼飞行设计,2种模式的切换通过机器人倾转机构的支撑、伸展来实现。为了验证机器人的运动性能,首先采用SolidWorks软件建立了机器人整机模型,并对机器人进行运动学建模,推导得到了机器人模式切换过程的运动学方程。然后,对机器人舵机输出进行MATLAB仿真和开展机器人物理样机模式切换实验,得到的输出扭矩仿真结果与实测结果基本一致,其范围为0~250 N·cm。最后,利用机器人物理样机开展地面移动和空中飞行测试,并对其运动过程进行分析,以验证机器人陆空运动及模式切换的稳定性。研究结果验证了所设计机器人的有效性,且其具有较长的续航时间,可为陆空两栖机器人的设计提供参考。

14. 基于多材料3D打印技术的RFID天线快速制造
官俊,丁医华,葛青涛,赵帅,陆杨,张婕
工程设计学报    2023, 30 (3): 288-296.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.041
摘要   HTML PDF(pc) (3953KB)(155)   

为了保护RFID(radio frequency identification,射频识别)天线,避免其接触外部环境而氧化、腐蚀,以及为了提高产品的防伪性、一体性与美观性,需要将RFID天线放置在产品结构表面或产品内部。为了快速制造这类产品,搭建了一台集成熔融沉积成形(fused deposition modeling, FDM)和直写成形(direct ink writing, DIW)这2种3D打印技术的多材料3D打印机,其可打印面积为220 mm×190 mm。通过ANSYS HFSS仿真软件分析了天线结构与基板结构对RFID天线辐射性能的影响;然后,选取4种RFID天线作为3D打印对象,使用导电银浆和聚乳酸(polylactic acid, PLA)分别作为天线和基板的打印材料,并对天线打印件回波损耗的实测曲线与仿真曲线进行比较。结果显示,4种RFID天线的谐振频率相对于其设计频率915 MHz均向低频方向发生了约185 MHz的偏移。根据天线打印件回波损耗的测量结果,进一步优化天线模型,并打印了一款基板厚度为3 mm、天线臂长为55 mm的内嵌式RFID天线,其满足谐振频率为915 MHz且-10 dB下带宽大于150 MHz的设计要求。研究结果验证了利用多材料3D打印技术一体化打印RFID天线及产品本体的可行性,为RFID天线的快速制造提供了参考,该工艺具有广阔的应用前景。

15. 基于脑力负荷的通航飞机座舱显示界面测评研究
张宁宁, 范思岑, 王丹丹, 邹媛媛, 任宏
工程设计学报    2019, 26 (4): 409-415.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2019.04.006
摘要   HTML PDF(pc) (1160KB)(1371)   
在飞行过程中,飞行员需从座舱显示界面获取和处理很多视觉信息,大量的视觉信息会使飞行员脑力负荷过高,从而易导致飞行事故。为降低飞行员在飞行过程中的脑力负荷和提高飞行的安全性,需判断通航飞机座舱显示界面对飞行员脑力负荷的影响,并为通航飞机座舱显示界面优化设计提供依据。以塞斯纳172SP飞机为例,综合应用主观评价法、绩效评估法和生理测量法,对五边飞行过程中飞行员的脑力负荷进行评估。综合主观评分、飞行绩效、脑电(Electroencephalogram, EEG)指标、眼动指标的分析结果,得出了五边飞行不同飞行阶段的脑力负荷大小排序。采用眼动追踪技术对不同飞行阶段飞行员所关注的界面信息进行定位,确定飞机座舱显示界面上对脑力负荷影响较大的注视热区。结果显示飞行员在平飞阶段的脑力负荷较低,降落阶段的脑力负荷较高;显示界面侧滑指示器对脑力负荷的影响最大。综上可知结合脑力负荷测量和眼动指标可以有效地评价通航飞机座舱显示界面的性能。
16. 3D打印TPU材料的力学性能及模型参数研究
谢博伟,金莫辉,杨洲,段洁利,屈明宇,李锦辉
工程设计学报    2023, 30 (4): 419-428.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.054
摘要   HTML PDF(pc) (3189KB)(152)   

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题,采用3D打印技术对热塑性聚氨酯(thermoplastic polyurethane,TPU)材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响,获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析,确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据,得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明:随着TPU材料硬度和打印填充率增大,试样的柔性减弱;在4种超弹性模型中,Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果;4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考,为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。

17. 关节电机驱动六足机器人仿生结构设计与柔顺运动控制
丁杨,张明路,焦鑫,李满宏
工程设计学报    2023, 30 (2): 154-163.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.022
摘要   HTML PDF(pc) (3884KB)(151)   

现有六足机器人在单足结构设计、机体布置形式及柔顺运动控制等方面存在不足,导致其地形适应能力不强,运动柔顺性能不高。为此,开展了典型六足生物——蚂蚁的观测实验,基于蚂蚁生理结构特征和驱动方式分析,提出了适用于六足机器人结构设计的基本原则;基于低惯量单足结构设计,通过优化机器人机体布局,提出了关节电机驱动六足机器人整体仿生结构;基于六足机器人直行和转向运动步态,规划了三角函数曲线与直线相结合的足端轨迹,提出了基于分级控制的六足机器人柔顺运动控制方法。样机实验结果表明,六足机器人结构设计合理,能够实现相对柔顺的直行和转向运动。研究结果可以为机器人仿生结构设计及柔顺运动控制提供重要参考。

18. 连续体结构的变密度拓扑优化方法研究
王景良,朱天成,朱龙彪,许飞云
工程设计学报    2022, 29 (3): 279-285.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.039
摘要   HTML PDF(pc) (1057KB)(233)   

为了实现使连续体结构的体积约束和柔顺度最小的拓扑优化及解决采用经典变密度法引起的结构优化结果存在如灰度单元、棋盘格等数值不稳定问题,提出了一种新的拓扑优化方法。首先,采用改进的固体各向同性材料惩罚法作为材料插值方案,建立结构拓扑优化模型;其次,通过引入基于高斯权重函数的敏度过滤法和设计新灰度单元抑制算子来解决数值不稳定问题;最后,借助优化准则法求解优化模型。通过算例分析可知:新策略可以改进拓扑优化方法;新的拓扑优化方法具有收敛速度较快、能更好地获取柔顺度小且拓扑构型好的优化结构和抑制灰度单元产生等优势。研究结果为其他连续体结构的拓扑优化研究提供了新思路。

19. 新型线驱动式微创手术器械结构设计与运动学分析
赵万博,陈赛旋,姜官武,李荣,章宇
工程设计学报    2023, 30 (6): 657-666.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.131
摘要   HTML PDF(pc) (4318KB)(148)   

在微创手术机器人系统中,传统线驱动式手术器械的偏摆关节与夹持器的转动关节之间存在运动耦合,这会对手术器械的运动精度产生不良影响。为此,提出了一种新型的四自由度线驱动式手术器械,其偏摆关节采用行星齿轮式结构,以实现偏摆关节与夹持器之间的运动解耦。首先,对传统线驱动式手术器械的关节运动耦合问题进行了分析。然后,设计了行星齿轮式转动的偏摆关节,并通过几何理论分析证明了其具有极低的关节耦合性,且钢丝绳在运动过程中的受迫形变量极小;同时,通过标准D-H参数法建立了新型手术器械的正运动学模型,并利用解析法求得了其逆运动学的封闭解。最后,分别使用MATLAB软件的Robotics Toolbox和Simulink环境中搭建的仿真模型对手术器械的正、逆运动学模型的准确性进行了验证,并采用蒙特卡罗法分析了其工作空间。仿真结果表明,所提出的手术器械的结构设计可靠,关节之间的运动耦合性较低,其工作空间能够满足微创外科手术的要求。研究结果可为柔性线驱动式手术器械的结构设计与运动学分析提供参考。

20. 环模智能定孔疏通装置设计研究
朱发运,王昀,朱发兴,董月,陈肇麟
工程设计学报    2023, 30 (5): 634-639.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.03.138
摘要   HTML PDF(pc) (3398KB)(142)   

为了解决传统环模模孔疏通中疏通效率低、自动化程度低、易损伤等问题,研发了环模智能定孔疏通装置。设计开发了定孔疏通机械手、下位机软硬件和上位机软。利用高磁导体的铁磁性及漏磁检测原理,将模孔定位疏通模块与霍尔效应检测算法相结合,实现了对堵塞模孔的自动化检测及疏通,提高了模孔定位精度。实验表明,采用环模智能定孔疏通装置,疏通效率可达1 260个/h,模孔刮伤率低于0.15%,装置运行稳定,实现了堵塞环模的自动化定孔疏通。研究结果对金属模孔探测及疏通技术的发展具有一定的参考价值。

21. 基于自适应神经网络的机械臂滑模轨迹跟踪控制
李琦琦,徐向荣,张卉
工程设计学报    2023, 30 (4): 512-520.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.050
摘要   HTML PDF(pc) (2915KB)(142)   

针对动态建模误差和不确定性扰动对机械臂末端高精度轨迹跟踪控制的不利影响,提出了一种新型的基于自适应神经网络的机械臂滑模控制策略。该控制策略可分为三部分:自适应神经网络补偿项、切换控制项和等效控制项。自适应神经网络的引入,避免了建模误差和外界未知扰动对机械臂系统的影响,提高了轨迹跟踪精度;切换控制项可使机械臂系统性能在迅速趋近滑模面的同时以很小的速率趋近平衡点,既能保证系统稳定,又能避免系统过于抖振;等效控制项用于对机械臂动力学模型的重力项和哥氏力项进行补偿,实现对模型的线性化处理,保证了系统的控制精度。最后,通过构造Lyapunov函数验证了所设计控制系统的稳定性,并在MATLAB/Simulink环境下和机器人系统工具箱中开展仿真实验和对比实验。结果表明,所提出的控制算法能够在保持机械臂稳定性的同时实现高精度的轨迹跟踪,验证了该控制算法的有效性和优越性。自适应神经网络滑模控制算法可为提高机械臂末端轨迹跟踪精度提供一种解决方案。

22. 基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制研究
何育民,韩莹,周晶
工程设计学报    2023, 30 (3): 271-280.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.040
摘要   HTML PDF(pc) (3089KB)(140)   

针对部分工况下塔机负载摆角直接测量困难、系统滑模控制器抖振明显以及控制器参数调节复杂等问题,提出了一种基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制方法。首先,根据拉格朗日方程,得到了塔机单摆系统的动力学模型。然后,设计了线性扩张状态观测器,用于观测塔机负载摆动状态,并将观测结果反馈到自适应滑模控制器中;在构造滑模面时,采用双曲正切函数代替常用的符号函数以增加其连续性,从而减小抖振。最后,改进了果蝇优化算法的寻优策略及搜索半径,并对自适应滑模控制器的参数进行了优化。结果表明,所设计的线性扩张状态观测器跟踪观测塔机负载摆角的收敛速度较快且跟踪误差小于1.3%;经改进果蝇优化算法优化后的自适应滑模控制器不仅对负载摆动有较好的抑制作用,而且具有较强的抗干扰性和鲁棒性。所提出的控制方法可在实现精确定位的同时有效避免塔机负载摆动带来的安全隐患,保障工人的安全和工程的顺利开展。

23. 多极圆盘式磁流变制动器的设计与优化
黄浩,吴杰,邓兵兵,谢红阳
工程设计学报    2023, 30 (3): 297-305.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.039
摘要   HTML PDF(pc) (3573KB)(140)   

针对传统圆盘式磁流变制动器中工作间隙磁场强度沿制动盘径向分布不均匀、远离线圈区域的工作间隙磁场强度较小的问题,提出并设计了一种多极圆盘式磁流变制动器。首先,阐述了多极圆盘式磁流变制动器的基本结构及工作原理,完成了磁流变制动器的磁路建模,并建立了其制动转矩的数学模型。然后,基于有限元仿真软件,开展了多极圆盘式磁流变制动器的磁场仿真分析。最后,以转矩密度为优化目标,采用梯度自由优化算法中的BOBYQA(bound optimization by quadratic approximation,二次逼近边界优化)算法,完成了多极圆盘式磁流变制动器的结构优化设计。结果表明,所设计的磁流变制动器的外间隙磁感应强度为0.681~0.760 T;内间隙0~<5 mm处的磁感应强度为0.114~0.349 T,5~65 mm处的磁感应强度为0.362~0.498 T;内、外线圈产生的2种磁场可以在磁流变液间隙中实现叠加,从而提高制动转矩。相较于优化前,当所有内、外线圈的电流为1 A时,优化后磁流变制动器的制动转矩增大了15.2%,转矩密度增大了14.3%。多极圆盘式磁流变制动器可为高转矩密度磁流变传动技术的发展提供参考。

24. 起重机生命周期载荷谱预测及基于疲劳寿命的结构优化设计
戚其松,李成刚,董青,陈钰浩,徐航
工程设计学报    2023, 30 (3): 380-389.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.019
摘要   HTML PDF(pc) (1996KB)(140)   

起重机在服役期间长期承受具有不同特征的交变载荷的作用,其结构因疲劳而导致承载能力下降。为了研究在实际工作过程中载荷及应力变化对起重机结构疲劳寿命的影响,首先,利用神经网络对起重机在服役期间的载荷谱进行分析,准确预测其载荷特征,并结合预测的载荷谱及其结构承载特性分析起重机在服役期间的应力—时间历程;其次,利用Miner线性损伤累积理论和线弹性断裂力学法,预测起重机结构关键部位的疲劳寿命;最后,以起重机结构关键部位的疲劳寿命及结构承载能力为约束,建立考虑起重机服役期间载荷特征的优化设计模型,采用智能优化算法在全局范围内搜索最优设计变量组合,获取满足疲劳寿命和承载能力设计要求的起重机结构最佳设计参数。研究结果表明了结构疲劳寿命计算与智能优化算法相结合的方法在起重机结构优化设计中的可行性,为起重机结构的轻量化设计提供了全新的思路。

25. 具有语音控制功能的举高类消防车控制系统设计
张静宇,高志刚,仝瑶瑶,张玉凤,张勇
工程设计学报    2023, 30 (3): 281-287.   DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2023.00.044
摘要   HTML PDF(pc) (1859KB)(139)   

举高类消防车控制系统复杂,整车操作需要多名操作人员在多个操作位置配合完成,且对操作人员技术水平的要求较高。为此,提出了一种具有语音控制功能的举高类消防车控制系统。在举高类消防车原有控制系统的基础上,增加了自动控制功能、语音控制功能和语音播报功能,以代替常规的手柄及按钮操作方式。其中,语音控制功能即通过语音控制模块识别操作人员的特定语音指令,并通过CAN(controller area network,控制器局域网)总线发送到PLC(programmable logic controller,可编程逻辑控制器),而后PLC根据语音指令和消防车状态自动控制消防车动作。当消防车出现状态变化或发生故障时,PLC将语音指令发送至语音播报模块,语音播报模块基于预存的语音信息进行语音播放,以便操作人员接收重要信息。试验结果表明,所设计的举高类消防车控制系统具有可行性,可有效降低操作难度和提高操作效率。该新型控制系统可迅速推广至其他类型的消防车以及相关的工程机械类产品,具有较高的应用价值。