综述

• 下肢康复外骨骼机器人研究现状及应用进展

  李畅;郑义;王优强;刘坤华;王飞扬;王登泽;

  【意义】随着全球老龄化问题的加剧，因卒中、脊髓损伤等疾病引起的下肢运动功能障碍患者数量不断增加。下肢康复外骨骼机器人作为新型智能一体化康复设备，主要应用于帮助患者实现站立和行走，为患者提供精准的物理支持和运动引导，是现代康复医学的研究热点。对下肢康复外骨骼机器人的研究现状和应用进展进行了全面综述。【分析】首先，按照作业姿态、驱动方式、机械结构对下肢康复外骨骼机器人进行了分类；探讨了研发设计中的五大关键技术，包括运动信息感知、运动意图识别、人机交互、虚拟现实、人工智能，并讨论了其在临床中的应用。其次，从临床量表评价法、基于传感器的康复效果评价法、基于生物检测技术的康复效果评价法3个方面，对当前国内外康复外骨骼机器人的训练效果评价方法进行了深入分析。最后，展望了下肢康复外骨骼机器人领域的未来发展方向，探讨了潜在的技术突破和应用前景。

  2025年11期 v.49;No.347 1-16页 [查看摘要][在线阅读][下载 1448K]
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理论研究

• 弧齿锥齿轮温锻成形数值模拟及工艺参数优化

  王李想;蒋闯;邓静;赵博;

  【目的】弧齿锥齿轮因其诸多优势而被广泛应用于航空航天、汽车、舰船、工程与港口机械等传动领域。鉴于铣齿加工的弧齿锥齿轮承载能力受限、热锻（≥1 000℃）成形精度低等情况，对温锻（≤750℃）成形技术展开研究。【方法】基于轮齿齿面构建模具齿面模型，分析了锻打速度、模具预热温度、摩擦因数、工件加热温度等工艺参数对温锻成形应力应变的影响规律；结合正交试验，完成了工艺参数优化；采用最佳工艺参数组合，开展了温锻成形试验。【结果】齿轮检测结果证明了温锻成形的精确性。研究成果为弧齿锥齿轮大轮（从动轮）的抗疲劳制造提供了支撑。

  2025年11期 v.49;No.347 17-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 1280K]
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• 轴向滚轧成形过程中机床误差与齿轮螺旋线偏差传递规律研究

  马自勇;杨伟;王梓隆;胡庆渊;朱云锆;

  【目的】针对齿轮轴向滚轧成形过程中机床误差与齿面螺旋线偏差传递规律不明的问题，提出一种机床误差与螺旋线偏差映射建模方法。【方法】首先，根据滚轧成形机床空间结构及各轴分布情况，建立机床拓扑结构图，得到机床误差类别及传递路径；其次，依据齐次坐标变换原理和多体系统拓扑理论，建立轧轮-齿轮间位姿误差变换矩阵；再次，在轧轮齿面方程基础上，通过求解双参数包络方程，建立机床误差与齿轮螺旋线偏差的映射模型；最后，利用Matlab软件和滚轧试验对误差模型进行验证。【结果】结果表明，在齿宽范围内，机床平移误差恒定不变，机床转角误差线性递增，垂直度误差则呈现抛物线变化，而齿轮螺旋线偏差与机床平移误差、机床转角误差、垂直度误差均呈等比例变化；此外，机床平移误差或机床转角误差、垂直度误差共同作用时，齿轮螺旋线偏差则会发生不同程度的增大。研究为后续误差补偿与加工精度提升提供了支持。

  2025年11期 v.49;No.347 25-34页 [查看摘要][在线阅读][下载 1782K]
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• 反向式行星滚柱丝杠副的动力学建模及传动特性研究

  冯卫东;王世松;邓星桥;吴贵成;曾李元;蔡大静;

  【目的】反向式行星滚柱丝杠副是一种具备高精度、大负载、长寿命的新型精密传动装置，多零件、多点接触、多运动副的特点导致其动力学特性难以被准确预测。【方法】针对这一问题，准确考虑螺母、滚柱、丝杠及保持架之间的复杂接触与运动关系，建立了基于RecurDyn软件的反向式行星滚柱丝杠副动力学模型；在验证模型有效性的基础上，定量分析了螺母转速与丝杠负载对其传动特性的影响规律。【结果】结果表明，滚柱与丝杠、螺母之间的平均接触力与螺母转速、丝杠负载均成正相关。受各零件之间接触变形的影响，滚柱与丝杠的啮合轮齿间及滚柱左、右轴颈与保持架内孔之间均存在载荷分配不均现象。研究可为反向式行星滚柱丝杠副的结构设计与优化提供支撑。

  2025年11期 v.49;No.347 35-41+56页 [查看摘要][在线阅读][下载 1375K]
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• 基于加长悬臂梁模型的裂纹齿轮时变啮合刚度计算方法

  刘宗尧;王雨彤;李佳宝;冯伟;刘保国;

  【目的】在基于势能法计算时变啮合刚度时，传统悬臂梁模型的长度和位置通常固定不变，忽略了裂纹扩展导致的悬臂梁根部位置发生变化的情况，为啮合刚度的准确获取带来较大误差。针对以上问题，考虑裂纹扩展导致齿轮悬臂梁模型长度增加的情况，提出基于加长悬臂梁模型的裂纹齿轮时变啮合刚度计算方法。【方法】依据提出方法，计算了由于齿根裂纹扩展而减小的齿轮有效截面惯性矩和有效承载面积；在此基础上，根据裂纹长度划分不同裂纹阶段，计算了不同裂纹阶段下的齿轮时变啮合刚度；最后，通过建立齿轮啮合的有限元模型，对提出方法进行了验证。【结果】结果表明，相比传统悬臂梁模型，提出方法由于考虑了裂纹扩展部分的势能，在相同条件下计算得到的啮合刚度值更贴近有限元模型结果，验证了提出方法的有效性和准确性。

  2025年11期 v.49;No.347 42-48页 [查看摘要][在线阅读][下载 1250K]
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• 基于非线性弹簧接触力模型的盾构机主轴承载荷分布优化研究

  马才兵;陈观慈;

  【目的】盾构机主轴承承受复杂集中载荷（含巨大轴向力与倾覆力矩）。为提升转盘轴承有限元仿真效率并降低其最大接触载荷，提出一种轴承内圈滚道非平面结构设计方法。【方法】以三排圆柱滚子轴承为研究对象，采用非线性弹簧等效圆柱滚子的建模方法开展有限元分析，获取其在典型工况联合载荷作用下的内部接触载荷分布及整体变形特性。【结果】结果表明，该等效建模方法可有效缩小计算规模、缩短计算时间；上排与下排滚子接触载荷呈近似对称分布；非平面滚道轴承较圆形滚道轴承的最大接触载荷降低约9%，且滚子载荷分布更均匀、数值均有下降，对延长轴承使用寿命具有参考价值。

  2025年11期 v.49;No.347 49-56页 [查看摘要][在线阅读][下载 1307K]
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• 基于无碰撞通道的启发式RRT机械臂路径规划算法

  姚博亮;刘放;孙腾;杨继意;

  【目的】针对传统快速扩展随机树（Rapidly-exploring Random Tree, RRT）算法在多自由度机械臂路径规划中搜索无引导、路径质量差等问题，提出一种基于无碰撞通道的启发式RRT算法。【方法】通过基于球面的波前扩展算法（Wavefront算法）获取工作空间无碰撞通道，设置路径靶向点，利用环境信息启发树的生长而非传统的盲目搜索；改进随机点采样函数，分别采用路径靶向点在关节空间中对应关节角度的多维高斯分布模型和高斯混合模型（Gaussian Mixture Model, GMM）作为启发项，引导机械臂末端执行器在无碰撞通道内定向快速稳定扩展。【结果】仿真分析结果表明，与传统RRT算法相比，启发式RRT算法缩短了路径搜索时间，减少了迭代次数，路径长度缩短了39.32%。

  2025年11期 v.49;No.347 57-62+95页 [查看摘要][在线阅读][下载 1201K]
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设计计算

• 一种新型塔式环形折展机构的设计与分析

  毛毅;王汝贵;喻仪殷;董曜;

  【目的】传统环形折展机构的展开精度低、稳定性差、拓展性弱，而空间折展机构具有收拢尺度小、展开体积大、机构质量轻等优点。为了满足未来空间技术发展的需要，利用胚图法对八杆回环进行特征合成，构建出不同的塔式空间折展机构。【方法】采用螺旋理论及等效隔离法的思想，分析了塔式环形折展机构的几何协调性与运动同步性；使用计算机辅助设计，通过数值模拟分析了设计参数与性能之间的映射关系。【结果】分析结果验证了塔式环形折展机构展开与折叠过程的稳定性与有效性。

  2025年11期 v.49;No.347 63-69页 [查看摘要][在线阅读][下载 1391K]
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• 变拓扑机械腿的运动解耦性设计及运动学分析

  程月琳;李瑞琴;郭文孝;李航;潘武星;

  【目的】为提高轮腿式移动机器人的地形适应能力，简化驱动与轮腿模式切换的控制，提出一种零耦合度且部分运动解耦的并联式变拓扑机械腿。【方法】首先，基于变拓扑机构的结构组成原理，设计了一种变拓扑运动副；其次，基于方位特征（Position and Orientation Characteristics, POC）集的拓扑设计理论，设计并分析了变拓扑机械腿；再次，基于拓扑特征运动学方法，求解出机械腿的符号式位置正解与逆解，并对机械腿的工作空间与奇异性进行分析；最后，由变拓扑机械腿构造了四足机器人，在陡坡和沟壑地形下进行了步态规划并测试其越障能力。【结果】变拓扑机械腿具有轮腿两种运动模式，在腿模式下的POC集为2R1T，在轮模式下的POC集为3T1R；基于变拓扑运动副实现的运动模式切换可使模式切换所需时间短、控制简单；越障测试表明，变拓扑机械腿对于陡坡和沟壑等复杂地形具有较强的通过能力。

  2025年11期 v.49;No.347 70-79页 [查看摘要][在线阅读][下载 1328K]
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• 面向复杂地形环境的移动机器人设计与分析

  林娣;李瑞琴;胡微微;宁峰平;张磊;

  【目的】机器人因卓越的智能性和稳定性，在生产、生活等多个领域得到了广泛应用。然而，其结构形式的单一性限制了在复杂多变环境中的应用能力。为了解决这一问题，提出一种新型的2-UPU/（UPUU）PU并联机构，并将其应用于移动机器人的腿部结构，以增强机器人在复杂地形中的适应性。【方法】首先，利用螺旋理论中的约束与运动关系对机构进行分析，确定该机构的运动自由度，并明确驱动部分，采用矢量法构建并联机构的逆解方程；其次，在机构的结构尺寸确定后，使用Adams软件进行逆解分析，并通过Matlab软件进行验证，以确保机构的可行性；再次，基于物理杆件的约束条件，对并联机构的工作空间进行分析，明确其可达工作空间能够满足机器人的移动需求；最后，构建了一个新型2-UPU/（UPUU）PU并联机构的应用实例，并对其移动模式进行规划。【结果】研究表明，该并联机构可以作为移动机器人的足端结构，实现机器人在复杂环境下的移动。

  2025年11期 v.49;No.347 80-87+120页 [查看摘要][在线阅读][下载 1336K]
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• 复合丝传动微创手术器械结构设计与分析

  梁科;易承修;梁坤;苏铁城;

  【目的】为解决现有微创手术器械运动灵活性不足、操作空间受限的问题，并提升其临床适用性，设计了一种具有5自由度的复合丝传动微创手术器械。【方法】该器械的5个自由度可分别实现手术钳开合、蛇形关节俯仰/偏航、轴转关节旋转及平行关节手术空间扩展；针对丝传动系统运动耦合引发的振动及传动效率下降问题，设计了高效解耦装置；基于运动耦合原理开展精密计算与参数优化，保障各部件运动独立性与系统整体稳定性；结合器械结构设计开展运动学分析与工作空间求解，验证了结构的合理性及运动学的正确性。【结果】所设计器械的功能完整性与运动空间覆盖范围，均能有效满足常见微创手术的临床操作需求。

  2025年11期 v.49;No.347 88-95页 [查看摘要][在线阅读][下载 1301K]
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• 可变式伸缩轮腿机器人行进机构设计与研究

  毛鑫铭;白晋伟;迟金玲;李哲;高佳鑫;

  【目的】针对传统的轮式和腿式机器人在复杂地形环境下的功能局限，提出一种可变式伸缩轮腿机器人设计方法。该机构通过调节电动机转速来改变轮与地面间距离，可实现伸缩轮的变径、轮腿机器人的变向等多种动作。【方法】使用SolidWorks软件对该结构进行了详细的设计和模型构建。通过改变电动机转速来实现不同运动方式；详细阐述了可变式伸缩轮腿结构的操作机制，在平坦的路面上采用轮式方式行进，而在复杂的地形条件下，可以切换为腿式工作方式以越过障碍；采用微分方程对该轮腿机器人的直行、转弯两种模式建立了运动学模型，利用拉格朗日模型进行了动力学分析；最后，运用Adams软件对车轮在平坦和复杂路面上的行走及越障进行了虚拟样机模拟仿真。【结果】仿真结果表明，提出的可变式伸缩轮腿机器人可行性较高，可以适应多种复杂地形，具有轮式机构的稳定性，同时具有腿式机构较高的越障能力。

  2025年11期 v.49;No.347 96-102+176页 [查看摘要][在线阅读][下载 1369K]
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• 一种双行走模式爬壁机器人的设计与运动分析

  彭铄琛;刘春华;叶攀;覃汉豪;

  【目的】为解决传统机器人在通信铁塔桁架壁面越障困难的问题，提出一种具有两种行走模式的串联型通信铁塔巡检爬壁机器人。【方法】首先，对机器人进行结构设计并分析其运动模式，运用标准D-H法建立坐标系并构建正、逆运动学方程，采用微分变换法推导机器人速度雅可比矩阵；其次，借助Matlab软件中的Robotics工具箱对机器人行走可达空间及两种行走模式单步行程的运动轨迹展开仿真；最后，制作原理样机并进行试验。【结果】结果表明，通过仿真和原理样机试验，验证了该机器人在通信铁塔上具有良好的运动与越障性能，一定程度上解决了传统爬壁巡检机器人在通信铁塔巡检作业中越障困难、到达困难等问题。

  2025年11期 v.49;No.347 103-113页 [查看摘要][在线阅读][下载 1472K]
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• 叠层复合行星轮系参数的优化设计研究

  柏亮鹤;朱如鹏;

  【目的】采用叠层复合行星轮系，可以获得结构更加紧凑的齿轮减速器，进而有效地实现减速器径向尺寸的减小和质量的减轻。【方法】建立了每层5个行星轮的叠层复合行星轮系参数的优化设计数学模型，并以某型直升机主减速器NGW行星轮系为背景，进行了参数优化分析；采用序列二次规划法对轮系参数进行了优化。【结果】以轮系径向尺寸最小为目标函数时，径向尺寸减小了22.5%，对应的体积减小了11.7%；以轮系体积最小为目标函数时，径向尺寸减小了11.5%，对应的体积减小了23.2%。当以轮系径向尺寸和体积最小为双目标函数时，采用线性加权法对轮系参数进行优化，径向尺寸和体积分别减小了16%和21.5%，相较单目标优化作用显著。

  2025年11期 v.49;No.347 114-120页 [查看摘要][在线阅读][下载 1106K]
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试验分析

• 基于赫兹接触理论的输送带压陷滚动阻力研究

  纪斌;姚艳萍;周利东;韩刚;张文超;

  【目的】控制压陷滚动阻力是降低大运量、长距离带式运输机运行中能量损耗的重要途径。国内外学者大多利用Winkler模型对压陷滚动阻力力学模型进行推导，通过赫兹接触理论推导的压陷滚动阻力力学模型较少，有必要针对该情况展开研究，从而为压陷滚动阻力计算提供一种科学的方法。【方法】推导了基于赫兹接触理论的压陷滚动阻力模型，并通过试验台与仿真结果相结合的方法验证了压陷滚动阻力模型的准确性。【结果】结果表明，压陷滚动阻力随着带速和受载压力的增加而增大；在运输量相同时，增加带速比、增加物料质量均能有效减小压陷阻力。

  2025年11期 v.49;No.347 121-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 1385K]
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• 基于HB、ISO与AGMA标准的弧齿锥齿轮齿面接触强度计算对比分析

  王秋菊;魏静;陈思宇;邢彬;宋振海;谭渝昕;

  【目的】针对我国航空工业标准（简称HB）、国际标准化组织（International Organization for Standardization, ISO）标准和美国齿轮制造商协会（American Gear Manufacturers Association,AGMA）标准等3种标准中强度校核基准对弧齿锥齿轮齿面接触强度评价的差异性问题，通过对比分析，探究了弧齿锥齿轮副设计的最佳策略。【方法】首先，从计算原理、计算公式、修正系数方面深入分析了不同强度校核基准对弧齿锥齿轮齿面接触强度的影响；其次，对实例进行分析，探讨了不同齿轮轮坯参数对修正系数和接触应力的影响规律。【结果】结果表明，从计算原理来看，AGMA标准是基于Hertz接触理论采用大端原始参数计算的，而HB和ISO标准则是基于中点当量齿轮模型并结合Hertz接触理论计算的；从接触应力计算式引入的修正系数及其对应计算式来看，ISO标准比HB和AGMA标准考虑因素更全面，计算更复杂，其中，动载系数和螺旋线载荷分布系数的计算对应力结果的影响最大；从接触应力的变化规律来看，3种标准中，齿数、模数、齿宽、螺旋角及压力角等轮坯参数均对接触应力影响较大，但螺旋角对接触应力的影响规律略有差异；此外，3种标准的接触强度计算结果之间不存在某一种比另外两种更为保守的关系。

  2025年11期 v.49;No.347 128-140页 [查看摘要][在线阅读][下载 1496K]
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• 基于双时频融合的动车组滚动轴承故障诊断

  刘宇恒;隋江涛;张晓宁;曹井琛;

  【目的】针对动车组滚动轴承故障具有较强随机性、噪声干扰严重且故障数据稀缺，进而导致诊断模型局部特征提取能力不足、诊断准确性低的问题，提出基于ResNet-18网络的双时频特征融合故障诊断方法。【方法】以ResNet-18网络为基本架构，利用短时傅里叶变换（Short Time Fourier Transform, STFT）和连续小波变换（Continuous Wavelet Transform, CWT）将原始一维振动信号转化为两种时频图，实现双路特征提取；随后，通过自注意力特征融合层将提取到的两路特征进行融合；最后，采用美国凯斯西储大学（Case Western Reserve University, CWRU）轴承数据和高速动车组滚动轴承台架试验数据开展试验。【结果】结果表明，该模型的分类准确率达到99.66%，展现出优异的诊断性能，可为动车组滚动轴承故障诊断的工程应用提供参考。

  2025年11期 v.49;No.347 141-147页 [查看摘要][在线阅读][下载 1273K]
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• 圆柱滚子推力轴承滚滑及温升特性仿真研究

  金留南;李伦;薛玉君;黄伟;李玉川;

  【目的】针对低速重载下圆柱滚子推力轴承因滚子与滚道剧烈滚滑产生的摩擦生热问题，开展了基于滚滑特性的轴承流固耦合温升特性研究。【方法】通过Adams软件建立圆柱滚子推力轴承的刚柔耦合动力学模型，分析了不同工况下的滚滑特性与保持架打滑率；采用局部法构建了摩擦功耗模型，结合Adams软件后处理参数计算了功耗；基于传热学建立流固耦合温升模型，研究座圈温升规律，并通过试验进行了验证。【结果】轴向载荷增大使纯滚动点趋近于理论位置、打滑率减小；转速增大会使纯滚动点先趋近后偏离、打滑率先减后增；低速重载下，摩擦力矩的增幅随轴向载荷的增大而变缓，摩擦力矩随转速的增大而降低。温升仿真与试验的最大误差为8.98%。

  2025年11期 v.49;No.347 148-157页 [查看摘要][在线阅读][下载 1696K]
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开发应用

• 螺旋对流式磁流变阻尼器传力性能研究

  吕伟杰;罗嘉豪;张广;陈俊宇;孙敏;罗翔;

  【目的】针对传统磁流变阻尼器转矩输出可控性差、转矩密度小的问题，提出一种具备正反转双工作模式的高转矩密度螺旋对流式磁流变阻尼器。【方法】首先，建立了各阻尼通道转矩输出的数学模型；然后，研制了磁流变阻尼器实物样机；最后，搭建转矩性能动态输出测试平台，测试了转速分别为40 r/min、80 r/min、120 r/min、160 r/min及200 r/min时，在2 A、4 A和6 A电流下的正转、反转两种工作模式的转矩输出情况。【结果】试验结果表明，在励磁电流6 A、转速200 r/min时，正转模式和反转模式平均转矩分别达2.72 N·m和2.56 N·m；正转模式和反转模式平均启动转矩达7.34 N·m和7.81 N·m；正转模式最大转矩密度达10 826.82 N/m~2。验证了所提出的螺旋对流结构对磁流变阻尼器的转矩密度具有增强效果。

  2025年11期 v.49;No.347 158-166页 [查看摘要][在线阅读][下载 1343K]
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• 基于STFT-SE-ResNet18模型的低速重载轴承故障诊断

  郑鑫;孙显彬;殷罡;孔莉娅;

  【目的】针对低速重载滚动轴承振动信号故障特征微弱和故障特征提取困难等问题，提出一种基于压缩和激励（Squeeze-and-Excitation, SE）注意力机制的ResNet18残差网络的故障诊断方法。【方法】首先，通过短时傅里叶变换（Short-Time Fourier Transform, STFT）将传感器采集到的振动信号转换为二维时频图，利用其在故障特征提取、抗噪性和可视化方面的优势，捕捉到更多的故障特征信息；然后，将二维时频图输入改进后的STFT-SE-ResNet18模型，借助SE注意力机制学习自适应的通道权重，使模型更加关注有用的通道信息，提高了模型的学习能力和识别效果；最后，与其他网络模型进行了对比。【结果】结果表明，该模型在不同工况下的故障诊断效果显著，具有较高的优越性和较大的应用潜力。

  2025年11期 v.49;No.347 167-176页 [查看摘要][在线阅读][下载 1725K]
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