理论研究

• 应用迭代WLS-TCS算法的空间超冗余机械臂动力学参数辨识研究

  章文俊;李毅;周宇飞;张浩浩;朱明超;唐博;

  【目的】在空间超冗余机械臂动力学建模中，其结构复杂、自由度多及刚性弱导致的动力学耦合问题十分突出，难以获得精准的动力学模型。针对此问题，提出了一种应用迭代WLS-TCS算法的空间超冗余机械臂地面动力学参数辨识方法，为获取机械臂的高精度动力学模型和空间在轨动力学控制研究奠定基础。【方法】首先，采用一种基于终端交叉和转向的粒子群优化（Terminal Crossover and Steering-based Particle Swarm Optimization, TCS-PSO）算法来设计满足多约束条件的周期傅里叶级数，并将其作为最优的激励轨迹；其次，应用迭代加权最小二乘（Iterative Weighted Least Squares, IWLS）法获取最小参数集，通过迭代加权逐步剔除数据中的异常值，使得辨识结果更加鲁棒、准确。【结果】试验结果表明，在激励轨迹中，采用TCS优化方法获得的轨迹回归矩阵条件数更少，且能更好满足所给的约束条件。在参数辨识中，采用IWLS法辨识所得的结果对比递归最小二乘法，力矩残差均方根（Root Mean Square, RMS）值平均降低约2.22%；对比加权最小二乘法，力矩残差RMS值平均降低约4.85%。将获取的参数模型代入到零力控制试验中，实际效果符合预期。

  2025年06期 v.49;No.342 1-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 1521K]
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• 考虑关节摩擦特性的足式机器人单腿模型动态参数辨识及控制

  肖浩扬;钱乐天;罗欣;

  【目的】足式机器人移动速度和机动性的提升对关节运动跟踪精度提出了高要求。足式机器人关节常在低速段工作，行程较小且换向频繁，传动摩擦的存在给关节控制带来了极大的非线性影响。准确辨识其关节非线性摩擦对提高足式机器人的关节跟踪精度十分重要。【方法】针对关节低速运动工况，利用驱动器记录重载四足机器人单腿运动数据，并在个人计算机上对数据进行处理；基于关节实测摩擦特性，建立了关节摩擦分段拟合模型，分步辨识足式机器人的单腿关节摩擦及动力学参数；基于辨识模型，设计了单腿动力学前馈-反馈控制器。【结果】在重载四足机器人平台上进行的试验表明，与基于线性摩擦模型的参数辨识法相比，该方法各关节力矩预测误差减小约40%，动力学前馈下的轨迹跟踪精度提升大于60%。

  2025年06期 v.49;No.342 10-18页 [查看摘要][在线阅读][下载 1558K]
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• 发动机非圆正时带传动系统动态特性仿真分析

  胡清明;李洪阳;孙丹丹;郭建华;姜天一;

  【目的】正时带传动系统动力学特性作为衡量发动机噪声、振动和粗糙度（Noise, Vibration and Harshness, NVH）性能的重要指标，对研究发动机正时系统动态特性具有重要意义。【方法】以7轮系统发动机正时带传动系统为研究对象，在曲轴带轮中应用椭圆带轮技术，建立了不同偏心量下正时带传动系统的多体动力学模型；探究了不同曲轴转速下带齿应力、横向振动、凸轮轴角速度、转矩以及啮合干涉波动对正时带传动系统动力学性能的影响规律。【结果】结果表明，在一定的范围内，偏心量1 mm的非圆正时带传动系统带齿应力分布均匀、振动幅度小、传动误差低、干涉量少、系统运行平稳、动力学性能优异。所得结果为研究不同转速下非圆正时带传动系统动力学性能奠定了基础。

  2025年06期 v.49;No.342 19-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 1422K]
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• 双冗余机器人协调运动中关节点位追踪的控制策略研究

  高琳;张志远;王少锋;施艳青;于鹏伟;梁朝辉;

  【目的】随着操作任务复杂化，双冗余机器人较6自由度机械臂操作更具灵活性和适应性。针对双冗余机器人控制系统之间信息交互以及协调运动中安全问题，以双套控制系统的冗余机器人为研究对象，提出了双冗余机器人基于位置的交替主从控制策略。【方法】以主臂为“Leader”、从臂为“Follower”，建立了双冗余机器人系统主从控制的位置约束关系，结合关节点位追踪功能捕捉运动中的实时位姿参数，实现了双冗余机器人系统在闭链运动路径上各关节点位基于时间插补的映射。【结果】试验结果表明，任意姿态下的双冗余机器人系统中各关节实时追踪点位参数与实际关节点位参数的最大误差为0.465 mm，实现了虚实交互的轨迹映射，为碰撞检测算法在实际双冗余机器人系统中的应用提供了准确的位置数据。

  2025年06期 v.49;No.342 25-35页 [查看摘要][在线阅读][下载 2170K]
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设计计算

• 强力车齿加工齿轮螺旋线方向波纹误差建模与分析

  郭二廓;刘畅;刘树龙;袁亚运;

  【目的】强力车齿加工是一种新兴的齿轮加工方法，具有高效率、高精度等显著优势。针对车齿加工中易出现齿轮螺旋线方向波纹误差的问题，提出了一种基于优化车齿刀具齿数的齿轮螺旋线方向误差控制方法。【方法】首先，根据空间交错轴啮合理论和车齿加工齿面形成原理，分析齿轮螺旋线方向波纹误差产生的原因，建立了含刀具偏心误差的强力车齿加工数学模型；其次，分别讨论了刀具偏心误差、刀具轴向进给量、刀具齿数与齿轮螺旋线方向纹波误差之间的影响关系；最后，提出了一种基于优选刀具齿数的齿轮螺旋线方向纹波误差控制方法。【结果】数值计算与车齿加工试验结果表明，该方法能够显著降低车齿加工中的螺旋线方向波纹误差。

  2025年06期 v.49;No.342 36-43页 [查看摘要][在线阅读][下载 1671K]
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• 双工作行程心形曲柄滑块机构综合

  侯玉洁;韩继光;

  【目的】为了获得具有双工作行程运动特性的滑块机构，满足一些自动机床的双进给需求，采用能够生成双环运动曲线的行星机构驱动滑块Ⅱ级杆组，得到了一种能够实现双工作行程运动的心形曲柄滑块机构。【方法】分析了机构运动特性，给出了极限位置、工作行程、曲柄存在条件、最小连杆长度和最小传动角等参数的计算方法，研究了机构参数对工作行程和最小传动角的影响。利用机构参数与工作行程之间的单调特性，提出了按双工作行程进行机构综合的简单迭代法。【结果】为双工作行程机构设计提供了依据。

  2025年06期 v.49;No.342 44-47+77页 [查看摘要][在线阅读][下载 1132K]
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• 无伴随运动2RPU-RPUR并联机构运动性能分析

  车林仙;黄鑫;彭斯洋;王元泽;蓝骏;

  【目的】面向切削加工需求，提出了一种新型无伴随运动一移动两转动面对称2RPURPUR并联机器人机构，可作为5自由度（Degree-of-freedom, DOF）加工机器人的并联模块。【方法】首先，应用旋量理论分析并联机构的自由度；利用封闭矢量方法，建立机构位置分析模型，推导出机构位置正逆解方程。结果显示，机构结构具有部分解耦特征。根据该特性，利用盛金公式求解动平台Z向位移方程，得到具有符号解析表达式的位置正解。其次，给出机构速度和加速度正逆解表达式；通过给定机构驱动输入，对并联机构运动学正解进行仿真验证。再次，利用几何约束条件，分析机构可达工作空间；在此基础上，给出局部传递能力、优质传递姿态工作空间和规则工作空间等评价指标的定义和计算方法。最后，以新并联机构为核心模块，设计出5-DOF混联加工机器人，并用Ansys软件分析了其强度和刚度。【结果】研究结果表明，2RPU-RPUR机构可作为并联主轴头，与两移动副串联，满足5轴加工需求。

  2025年06期 v.49;No.342 48-59页 [查看摘要][在线阅读][下载 1689K]
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• 4个运动解耦的单回路两自由度三平移并联机构的拓扑设计及其位置封闭解研究

  佘俊杰;李菊;孔祥超;沈惠平;

  【目的】为了解拓扑结构相似的支链对并联机构解耦性与派生运动的影响，设计了拓扑结构相似的并联机构，分析了其拓扑特性及位置方程。【方法】首先，基于方位特征集的并联机构拓扑结构设计方法，构造了4个由相似支链组成的新型单回路空间两自由度三平移并联机构，给出其设计过程，并计算了自由度；其次，建立这4个机构的运动学模型，导出了这些机构位置正解的一元八次方程（封闭解）并使用数值方法求得数值解；再次，通过解析法给出其符号式反解，并进行了验证；最后，分析得到了动平台独立输出运动量与派生运动量之间的内在联系。【结果】结果表明，这些单回路两自由度三平移并联机构均运动解耦且含派生运动，可用作轻量物料的三维振动筛分主机构。研究结果为机构的尺度优化、工作空间及动力学分析奠定了基础。

  2025年06期 v.49;No.342 60-70页 [查看摘要][在线阅读][下载 1188K]
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• 交替极径向磁力联轴器偏心气隙磁场计算

  田杰;郑众文;任泰安;王兴东;吴松荣;

  【目的】内转子偏心会对交替极径向磁力联轴器的气隙磁密产生影响，进而影响联轴器性能。为计算内转子偏心时的空载气隙磁场，提出基于等效变换的计算方法。【方法】首先，将气隙分布不均匀、剩磁分布均匀的交替极径向磁力联轴器等效变换为内转子剩磁分布不均匀但气隙分布均匀的交替极径向磁力联轴器，等效后联轴器结构参数不变；其次，将等效后的模型划分为内转子区域、气隙区域和外转子区域等3个不同子域，并对不同子域分别分析；最后，根据磁场边界条件求解出内转子偏心状态下交替极径向磁力联轴器的气隙磁场，同时，分析不同偏心度和不同机械角度下的电磁转矩变化，并与有限元仿真结果进行了对比分析。【结果】结果表明，不同偏心度下解析结果与有限元结果相对误差在1.1%以内；不同机械角度下解析结果与有限元结果绝对误差在0.1 N·m以内。这说明所提出的等效变换的计算方法能有效地应用于交替极径向磁力联轴器偏心气隙磁场的计算。

  2025年06期 v.49;No.342 71-77页 [查看摘要][在线阅读][下载 1210K]
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• 受蕨类植物启发的可螺旋折展天线机构设计

  李霖;范治鹏;王汝贵;

  【目的】针对平板天线收展效率与空间适应性不足的问题，仿照蕨类植物生长过程中的展开运动，提出一种新型平面可展天线机构。【方法】首先，采用模块化设计，设计剪叉模块，实现纵向平面内的螺旋形收拢和展开；结合球面四杆机构实现横向平面的收展运动，并计算其自由度。其次，对折展机构进行运动学分析，探究其运动过程中纵向单元的转角、横向单元的转角、二面角之间的关系，推导了纵向单元转角和各杆件的角速度、角加速度，并分析了机构的收拢率。最后，进行了数值计算和仿真验证。【结论】所设计的仿生可展机构驱动系统简单、收拢效率高，为平板天线机构的设计和研究提供了参考。

  2025年06期 v.49;No.342 78-85页 [查看摘要][在线阅读][下载 1425K]
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• 轮腿式电厂巡检机器人设计与仿真

  邓阳泰;吴炳晖;

  【目的】针对电厂巡检工况，结合轮式与足式机器人特点，提出了一种新型轮腿式巡检机器人。【方法】首先，设计了一种膝关节动力切换装置，提高了电动机的复用率；其次，对机器人悬架进行了设计与仿真，该设计可以降低大腿关节电动机的峰值力矩；最后，为提高机器人运动稳定性，提出了非对称腿部布局方案和基于支撑多边形的稳定控制策略，并基于Webots对足运动模式下非结构化路面行走与越障能力进行了验证。【结果】结果表明，设计的机器人具备非结构化路面行走和越障能力，满足巡检任务要求。

  2025年06期 v.49;No.342 86-93页 [查看摘要][在线阅读][下载 1430K]
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• 齿轮传动变位系数选择的封闭线图限制条件修正研究

  张伟;侯晓晨;侯克青;

  【目的】为实现采用概念明确且完整的封闭线图法确定变位系数，优化变位齿轮传动性能、改善啮合特性、减小结构尺寸，并近似实现等强度等设计要求。【方法】针对张展主编的《渐开线变位齿轮传动》中的235幅封闭线图限制曲线上的极限值进行了验算。在此过程中，发现原有封闭线图在设定某些限制条件时，所确定的渐开线齿廓工作段起始点位置存在错误。针对这一技术难题，成功解决了确定渐开线齿廓工作段起始点位置的问题，并推导出相应的限制条件的计算式。在此基础上，采用VB. NET语言开发出齿轮变位系数选择的封闭图软件V2.0。【结果】在AutoCAD平台上精确绘制出矢量封闭线图，对原有的错误封闭线图进行了必要的修正。

  2025年06期 v.49;No.342 94-101页 [查看摘要][在线阅读][下载 1270K]
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试验分析

• 基于图像识别技术的高速斜齿轮油液体积计算与喷油润滑仿真

  胡波;陈赞;董建雄;苏杰;尹来容;

  【目的】目前针对直齿轮喷油润滑的分析较为充分，针对高速齿轮常用的斜齿轮喷油润滑的研究不多，特别是在计算风阻功率方面。高速齿轮较大的惯性导致润滑剂难以黏附于齿面，因而多采用喷油润滑。【方法】针对高速齿轮喷油润滑，基于流体体积（Volume of Fluid, VOF）多相流模型，建立了斜齿轮喷油润滑数值仿真模型，采用动网格法对斜齿轮喷油润滑状态下气液两相流动进行数值计算，得到了齿轮喷油润滑下的润滑油分布、气液总压、速度云图；同时，结合图像识别技术，获取喷油润滑试验与仿真的齿面平均油液体积分数，对比验证了喷油润滑模型的准确性；研究了齿轮副的风阻功率损失及流场分布，分析了齿轮转速与喷油速度对油膜附着面积、风阻力矩与功率损失的影响。【结果】结果表明，油膜附着面积随喷油速度的上升而扩展，随斜齿轮转速的上升而缩小；齿轮风阻功率损失主要随斜齿轮转速的上升而增大，低转速下其随喷油速度的增大略有增加，但喷油速度的影响随着齿轮转速的上升逐渐弱化。

  2025年06期 v.49;No.342 102-109页 [查看摘要][在线阅读][下载 1594K]
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• 航空锥齿轮阻尼环减振分析与试验验证

  钱露露;章焕章;贾亚萍;

  【目的】以某航空发动机弧齿锥齿轮系统为研究对象，以降低试验中齿轮节径型共振幅值为目的，对锥齿轮进行阻尼环减振设计和分析，并进行了试验再验证。【方法】首先，对锥齿轮系统进行接触模态分析和共振转速预测，通过与试验对比，确定了危险振型及其对应的模态位移和中性轴半径；其次，根据阻尼环减振原理设计阻尼环结构，分析获得阻尼环的轴向振动位移、径向振动位移和最佳耗散能，并绘制共振振幅系数Q与振动位移的曲线图，评估了减振效果；最后，对设计的阻尼环进行了试验验证。【结果】结果表明，基于该方法设计的阻尼环可使系统的节径型共振幅值降低50%，为航空锥齿轮减振设计提供了有价值的参考。

  2025年06期 v.49;No.342 110-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 1345K]
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• V形橡胶带式CVT传动特性仿真与试验研究

  田哲文;田昊;陈硕彦;

  【目的】针对V形橡胶带式无级变速器（Continuously Variable Transmission, CVT）与发动机以及巴哈赛车的动力性匹配问题进行了研究分析。【方法】首先在Matlab软件中通过遗传算法对CVT关键零部件参数进行优化，然后在Matlab/Simulink和RecurDyn软件中对CVT及整车进行动力学建模与仿真，最后在底盘测功机上进行整车试验。【结果】建模仿真与整车试验结果表明，CVT关键零部件参数优化后巴哈赛车整车动力性指标明显提升。该研究对V形橡胶带式CVT传动特性研究有一定的指导作用。

  2025年06期 v.49;No.342 117-123页 [查看摘要][在线阅读][下载 1483K]
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• 18Cr2Ni4WA钢弧齿锥齿轮淬火工艺参数优化研究

  丰瑞博;徐红玉;张丰收;李莉;

  【目的】探明18Cr2Ni4WA钢弧齿锥齿轮热处理过程中淬火工艺参数（淬火温度、时间、油温）对齿轮变形量及硬度的影响规律，确定范围内最优淬火工艺参数组合。【方法】设计正交试验，使用Deform软件模拟齿轮热处理；基于试验数据，采用灰色关联分析法，将变形量与硬度的多目标优化问题转化为单目标灰色关联度优化问题；基于主效应分析法，分析各工艺参数对齿轮变形量及硬度的影响规律；建立灰色关联度与工艺参数间的回归模型，验证模型的准确性。【结果】主效应分析结果表明，淬火温度对变形量影响最显著，油温对硬度影响最显著。最优淬火工艺参数组合：淬火温度820℃、淬火时间1 200 s、淬火油温20℃，在该参数组合下试验齿轮变形量与硬度为全局最优。

  2025年06期 v.49;No.342 124-130页 [查看摘要][在线阅读][下载 1110K]
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• 高压输电线路巡检机器人沿线爬坡能力分析与优化

  杨智勇;汪浩洋;肖茜;田望;

  【目的】为使巡检机器人能顺利通过大坡度线路，提升双臂轮式巡检机器人的沿线爬坡能力，对一款双臂轮式巡检机器人进行了分析优化。【方法】首先，结合机器人爬坡静力学模型分析其沿线匀速爬坡的受力特性，并利用Adams仿真软件建立机器人虚拟样机，求解其最大爬坡角度。其次，分别采用单一因素法和响应面法，分析机器人行走轮包角、前夹紧轮夹紧力、后夹紧轮夹紧力等参数对机器人最大爬坡角度的影响程度。最后，通过线性回归方程求取机器人最大爬坡角度，并通过机器人样机试验验证优化效果。【结果】结果表明，机器人最大爬坡角度达到32°，较优化前提高了92%。试验结果表明，改变行走轮结构和增加夹紧力均可有效提高巡检机器人的沿线爬坡能力。

  2025年06期 v.49;No.342 131-138页 [查看摘要][在线阅读][下载 1305K]
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• 不同硬化层深度风电齿轮弯曲疲劳强度对比试验研究

  张保松;王泽坤;颜力;王晗;宋昊鹏;封楠;

  【目的】风力发电机的运行工况复杂多变，对齿轮的承载能力和使用寿命提出了更高的要求。研究不同硬化层深度对风电齿轮弯曲疲劳强度的影响，以期为风电齿轮的设计、制造和热处理工艺的优化提供设计依据和试验支持。【方法】基于国家标准GB/T 14230—2021的设计要求，对硬化层深度有显著差异的两种风电行星轮开展弯曲疲劳对比试验；通过肖维勒准则对试验数据进行可疑数据点的剔除，采用成组对比法和t检验法对数据进行分析，并对试验试样进行解剖，分析验证了两种齿轮的热处理质量。【结果】结果表明，在热处理质量相当的条件下，硬化层深度较大的齿轮在高、低应力级别下的弯曲疲劳强度均显著高于硬化层深度较小的齿轮。

  2025年06期 v.49;No.342 139-144页 [查看摘要][在线阅读][下载 1065K]
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开发应用

• 可适径油气管道清洁机器人过弯关键参数研究及仿真

  戴耀南;贺新虎;刘可;杨培炎;张佳康;郑小涛;龚程;

  【目的】为提高油气管道清洁机器人的管内（变径、过弯）通过能力，提出了一种多节式自适应轮式管道清洁机器人。【方法】该机器人采用两段式结构设计，以减小机器人的转弯半径；通过直线导轨和伸缩式轮组结合形成的伸缩式行走机构设计，实现在一定范围内对不同管径的自适应运动。为确保清洁机器人在管道内运行的稳定性，利用Adams软件对管道清洁机器人的运动过程进行模拟，并对其运动参数进行分析，得到了机器人在通过弯管和变径管道时的速度和轮转矩的变化规律。【结果】机器人在驶进90°弯管时，速度会短暂地激增至1 146.9 mm/s，驶出时，则会迅速下降到220 mm/s；在连续变径管道中，机器人速度保持在520 mm/s左右，驱动电动机转矩随着管径减小而增加至42.5 N·m。仿真数据表明了理论分析的准确性和结构设计的合理性。通过试验测试，所得规律与仿真结果规律一致，进一步验证了管道清洁机器人设计的合理性。

  2025年06期 v.49;No.342 145-152页 [查看摘要][在线阅读][下载 1446K]
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• 基于Adams的智能清扫机器人卸料机构优化设计

  林新强;

  【目的】为了使Robo-Sweep智能清扫机器人具有全流程无人化作业的能力，需要正向开发一套满足各项需求的卸料机构。【方法】首先，根据整机总体设计方案，通过图解法进行了卸料机构的初步设计；其次，基于Adams软件建立了卸料机构的参数化虚拟样机模型，对卸料机构进行了运动学与动力学仿真；最后，以举升和倾翻过程中电动推杆的最大推力为优化目标，通过敏感度分析选取对优化目标影响较大的铰接点作为设计变量，并设置性能约束和干涉约束函数，运用参数优化设计功能确定卸料机构各铰接点位置的最优设计值，为电动推杆的选型提供依据。【结果】对比优化前后的数据，举升电动推杆最大驱动力降低了17.6%，倾翻电动推杆最大驱动力降低了5.8%，垃圾箱在倾翻开始时的最大加速度降低了26.9%。

  2025年06期 v.49;No.342 153-158+176页 [查看摘要][在线阅读][下载 1181K]
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综述

• 软体仿人灵巧手的研究进展

  刘羿伯;肖华平;刘传旺;孙振皓;郝天泽;刘书海;

  【意义】软体仿人灵巧手是一种由柔性材料构成的机器人末端执行器，可以实现类人的抓取及操作，具有高度的灵巧性、出色的环境适应性和人机交互中的安全性等特点。【分析】综述了国内外软体仿人灵巧手在灵巧性和抓取操作能力方面的表现；从驱动方式、材料与制造、建模和控制方面对软体仿人灵巧手的研究现状进行了详细的介绍和分析；讨论了软体仿人灵巧手所面临的潜在挑战与可能的发展方向，指出提升其灵巧性和触觉感知能力是未来研究的重点方向。

  2025年06期 v.49;No.342 159-176页 [查看摘要][在线阅读][下载 1652K]
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