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一种基于广义最大相关熵准则的运动平均方法

天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第8期57卷 798-809页

作者：刘海涛黄玉庚肖聚亮天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300354

本文提出一种基于广义最大相关熵准则的运动平均方法,有效提高了多视角点云配准的效率和精度.首先,借助李代数优化框架,导出了残差与待求变量二者之间的线性显式关系,将该残差与广义最大相关熵准则结合,提出了考虑所有相对运动的变量解... 详细信息

本文提出一种基于广义最大相关熵准则的运动平均方法,有效提高了多视角点云配准的效率和精度.首先,借助李代数优化框架,导出了残差与待求变量二者之间的线性显式关系,将该残差与广义最大相关熵准则结合,提出了考虑所有相对运动的变量解算模型;其次,借助半二次优化技术和交替方向乘子法,给出了模型的一种数值解算方法;最后,提出了一种具有自适应性的核宽选取方法,以使算法在相对运动集包含较多外点的情况下仍能获得较为准确的配准结果.以真实模型和环境数据集为对象开展了对比实验,基于双视角点云配准算法分别获得了5个测试点集在30%、20%点云面积重叠率阈值下的双视角配准结果,共形成10组相对运动集.其中,相对运动集误差随重叠率阈值的下降逐渐增加.所提方法在10组运动集上均获得了较佳的配准结果,实验结果表明本文所提方法有效提高了运动平均方法的计算精度与效率.此外,当运动集包含大量外点时,采用本文所提方法仍能获得较为准确的配准结果,表明本文所提方法具有较强的鲁棒性.

关键词：多视角点云配准运动平均广义最大相关熵

变截面单元环状周期结构固有频率分裂规律研究

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机械工程学报 2024年第7期60卷 114-123页

作者：高楠王世宇夏春花魏振航天津大学机械工程学院天津300354 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300354 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300354

在实际工程应用中,环状周期结构往往存在变截面单元。针对因变截面单元周期特性而导致的固有频率分裂现象,基于力矩平衡关系,采用Hamilton原理建立一般性动力学模型。以贯穿孔为例,基于经典振动理论得到固有频率及其分裂规律。考虑分组... 详细信息

在实际工程应用中,环状周期结构往往存在变截面单元。针对因变截面单元周期特性而导致的固有频率分裂现象,基于力矩平衡关系,采用Hamilton原理建立一般性动力学模型。以贯穿孔为例,基于经典振动理论得到固有频率及其分裂规律。考虑分组模式拓扑构型,推导具体消除频率分裂的规则,深入分析贯穿孔的孔径、数量和位置等参数对频率及其分裂行为的影响。设计试件并搭建实验台验证理论模型的正确性和消除规则的有效性。研究结果表明:由于贯穿孔使局部质量和弯曲刚度同时减小,进而导致固有频率改变,增大孔径和数量使重频频率减小,使分裂频率的分裂程度增大;保持孔径的一致性和位置的对称性可有效消除分裂。该研究方法和结论可用于工程领域类似周期结构动力学问题的研究并指导结构的设计。

关键词：环状周期结构变截面单元固有频率分裂分组模式消除规则

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基于相位调谐的旋转摆盘发动机驱动机构运动与受力分析

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机械工程学报 2024年第3期60卷 109-119页

作者：魏振航王世宇夏春花天津大学机械工程学院天津300350 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350 天津市非线性动力学与控制重点实验室天津300350

旋转摆盘发动机具有结构紧凑和比功率大等优点,广泛应用于潜航器和鱼雷等军事装备中。利用坐标变换矩阵求得了摆盘轨迹、活塞位移和连杆摆角的解析表达式,揭示了斜轴夹角和摆盘半径等结构参数对摆盘运动和连杆摆角的影响规律。考虑活塞... 详细信息

旋转摆盘发动机具有结构紧凑和比功率大等优点,广泛应用于潜航器和鱼雷等军事装备中。利用坐标变换矩阵求得了摆盘轨迹、活塞位移和连杆摆角的解析表达式,揭示了斜轴夹角和摆盘半径等结构参数对摆盘运动和连杆摆角的影响规律。考虑活塞分布的空间对称性以及燃气压力变化的时间对称性,利用相位调谐原理分析了摆盘的受力特征,揭示了燃气压力谐波阶次和活塞个数对摆盘受力的影响规律。研究结果表明,摆盘边缘的运动轨迹呈球面“8”字形;由于连杆的空间摆动,活塞位移并非连杆大头位移沿活塞轴向的分量;通过调整活塞个数与燃气压力谐波阶次之间的组合关系,可平衡摆盘上的力或力矩。

关键词：摆盘发动机驱动机构运动规律受力分析相位调谐

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设计理论与方法研究的回顾与展望

机械工程学报 2024年第13期60卷 2-20页

作者：孙之琳王凯峰顾佩华天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300354 天津大学浙江国际创新设计与智造研究院绍兴312099

分析设计和制造领域相关文献的主题和关键词,梳理设计理论与方法研究的发展历程;分析制造技术与信息技术同设计理论之间的关系,从时间上将设计理论研究的发展分为四个阶段。从产品全生命周期阶段的角度对广泛使用的设计理论与方法进行... 详细信息

分析设计和制造领域相关文献的主题和关键词,梳理设计理论与方法研究的发展历程;分析制造技术与信息技术同设计理论之间的关系,从时间上将设计理论研究的发展分为四个阶段。从产品全生命周期阶段的角度对广泛使用的设计理论与方法进行分类总结,阐述各类方法的概念、特点及应用范围。从设计过程表达、设计知识管理以及设计评价决策的角度,总结促进设计理论进步的关键技术。最后从面向复杂系统的设计、人工智能与设计以及环境友好的绿色设计三个方面对未来研究趋势进行展望。

关键词：设计理论设计方法制造技术信息技术

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基于改进CSM模型的硬岩掘进机刀盘危险点应力分析方法

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2024年第3期57卷 283-290页

作者：刘建琴吴迪徐攀乔金丽郭伟天津大学机械工程学院天津300072 天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300072 河北工业大学土木与交通学院天津300401

TBM刀盘受载后的危险点应力获取缺少直接的测量方法,工况复杂的情况下也难以测量,这就制约了刀盘载荷分析在刀盘寿命分析及其再制造方向上的应用问题,为此本文提出了一种基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力分析方法.在CSM模型基本压力... 详细信息

TBM刀盘受载后的危险点应力获取缺少直接的测量方法,工况复杂的情况下也难以测量,这就制约了刀盘载荷分析在刀盘寿命分析及其再制造方向上的应用问题,为此本文提出了一种基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力分析方法.在CSM模型基本压力假设的基础上,提出了滚刀刀刃侧面基本压力的概念,推导计算了滚刀刀刃侧面受到的压力和摩擦力,并将二者逐个引入CSM模型中的三向力的计算,建立了改进的CSM模型;通过与公开的滚刀载荷实验数据对比,计算得到的三向力误差均在5%以内,弥补了CSM模型不能预测侧向力的不足.基于改进的CSM模型,通过分析滚刀载荷三向力的差值关系,建立了滚刀载荷差值与滚刀刀间距离的指数关系,得到了计算刀盘滚刀载荷的理论模型,使用ABAQUS的实体耦合功能,加载上各滚刀的载荷,分析整个刀盘的载荷分布,进一步获得刀盘危险点的位置.由此建立了一套刀盘滚刀群载荷获取及危险点应力分布计算的方法.通过与辽宁大伙房水库引水隧道工程中公开的实验数据及危险点统计数据对比,验证了基于改进CSM模型的TBM刀盘危险点应力计算方式的有效性.该研究对经典的CSM模型进行了改进,所提出的刀盘危险点的应力分析方法可为刀盘再制造寿命预测提供可靠的载荷分析依据,并指导刀盘服役阶段的操控参数设置.

关键词： TBM刀盘改进CSM模型危险点应力侧向力

双机镜像搅拌摩擦焊顶锻力变化规律与影响因素研究

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航空制造技术 2024年第10期67卷 24-33页

作者：倪雁冰刘武高康歌赵慧慧董吉义孟少飞肖聚亮刘海涛天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300354 上海航天设备制造总厂有限公司上海200245

随着搅拌摩擦焊板厚增大,设备承载能力无法满足单侧搅拌摩擦焊的高顶锻力要求,因而难以形成质量良好的焊缝。为了降低设备所受顶锻力,本文提出了一种双机镜像搅拌摩擦焊工艺方法,研究了工艺过程中顶锻力的变化规律和影响因素,并验证了... 详细信息

随着搅拌摩擦焊板厚增大,设备承载能力无法满足单侧搅拌摩擦焊的高顶锻力要求,因而难以形成质量良好的焊缝。为了降低设备所受顶锻力,本文提出了一种双机镜像搅拌摩擦焊工艺方法,研究了工艺过程中顶锻力的变化规律和影响因素,并验证了该工艺的可行性和优越性。首先,建立热力耦合的有限元仿真模型,得到顶锻力随板厚的变化规律,同时得到了双机镜像搅拌摩擦焊工艺能够减小顶锻力的结论;之后,建立顶锻力估计模型,并基于数据驱动对模型进行试验修正和验证,实现无传感器的顶锻力监测;最后,在搭建好的试验平台样机上开展了镜像焊接试验、3组工艺参数的多因素试验及单侧搅拌摩擦焊对比试验,得到顶锻力随时间的变化规律和工艺参数的影响,验证了双机镜像搅拌摩擦焊工艺可以减小搅拌头所受顶锻力、降低设备承载能力需求的作用。

关键词：搅拌摩擦焊接顶锻力双机器人热力耦合仿真力估计工艺参数

高速大承载Sch?nflies并联机构动力学建模、性能分析及控制策略

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机械工程学报 2024年

作者：梁栋张珺鹏姚福林宋轶民孙涛天津工业大学机械工程学院天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津市现代机电装备技术重点实验室

面向纺织、食品、物流运输等行业中的高速及大承载作业需求，研究一类具有双闭环子结构稳定支链的Sch?nflies并联机构完备动力学建模、性能分析及控制问题。首先，借助线图法直观简洁表征支链自由度和约束空间，进而揭示出该机构动平台... 详细信息

面向纺织、食品、物流运输等行业中的高速及大承载作业需求，研究一类具有双闭环子结构稳定支链的Sch?nflies并联机构完备动力学建模、性能分析及控制问题。首先，借助线图法直观简洁表征支链自由度和约束空间，进而揭示出该机构动平台具有三平动和一转动的运动特性。在偏速度分析前提下，基于Kane方程建立机构的精细化多刚体动力学模型及其规范式，为后续性能评价及控制策略开发奠定基础。将任务空间动力学模型转化至关节空间，进而定义关节映射惯性指标和关节空间惯性变化系数指标对机构进行动力学性能分析。开发多体物理仿真模型，验证动力学模型的准确性，进而在获得关节约束力基础上引入摩擦，求解出驱动关节的库伦-粘性摩擦力矩。为实现精确运动控制，提出一种模糊非线性计算力矩控制策略，结合多体物理仿真模型，开展面向作业任务的控制仿真试验，多控制器试验对比结果表明，所提控制策略能有效抑制摩擦力矩及不确定因素影响，实现高精度轨迹跟踪/定位。

关键词：高速大承载并联机构 Kane方程多体仿真试验库伦-粘性摩擦模糊非线性计算力矩控制

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水下旋翼式平台近水底扰动定深控制方法研究

中南大学学报（自然科学版） 2024年第1期55卷 116-130页

作者：宋智斌黎时宇戴建生天津大学机械工程学院天津300354 天津大学现代机构学与机器人学中心天津300354 机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300354 南方科技大学机器人研究院广东深圳518055 伦敦国王学院机器人学中心英国伦敦WC2R 2LS

针对水下旋翼式平台在近水底工作时的时变非线性干扰问题,提出一种基于干扰观测器的动态面控制器以实现水下旋翼式平台的近水底定深控制。首先,采用水下航行器建模理论并结合牛顿欧拉方法建立水下旋翼式平台的运动学和动力学模型;然后,... 详细信息

针对水下旋翼式平台在近水底工作时的时变非线性干扰问题,提出一种基于干扰观测器的动态面控制器以实现水下旋翼式平台的近水底定深控制。首先,采用水下航行器建模理论并结合牛顿欧拉方法建立水下旋翼式平台的运动学和动力学模型;然后,采用动态面控制方法处理系统的非线性特性,引入一阶滤波器对虚拟控制律进行滤波,以此来代替复杂的微分运算,同时,通过非线性干扰观测器对系统内外部总扰动进行观测估计,并通过李雅普诺夫理论证明系统的稳定性;通过仿真实验验证所设计控制策略在白噪声模拟的随机干扰和参数不确定条件下的有效性;最后,设计开发实验样机,并在不同期望深度的近水底开展定深实验。研究结果表明:在水底反冲击力的作用下,相比动态面控制和串级PID控制,采用所设计的控制策略,平台姿态通道和深度通道的控制精度均有不同程度的提高,说明所提出的控制方法具有较好的鲁棒性,可有效解决近水底扰动问题。

关键词：水下旋翼式平台近水底扰动定深控制动态面控制干扰观测器

面向多关节训练的并联柔索驱动下肢康复机器人设计与分析

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机械工程学报 2024年

作者：张禹泽赵竞夫赵振伟康荣杰戴建生宋智斌天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室南方科技大学机器人研究院天津大学机械工程学院伦敦国王学院机器人学中心天津大学现代机构学与机器人学中心

目前我国康复需求巨大，并呈现持续增长趋势，康复机器人是解决这一问题的重要手段。针对现有下肢康复机器人在人机交互、训练方式及经济性等方面的局限，提出了一种采用柔索机构的并联柔索驱动下肢康复机器人，通过四根并联分布的柔索... 详细信息

目前我国康复需求巨大，并呈现持续增长趋势，康复机器人是解决这一问题的重要手段。针对现有下肢康复机器人在人机交互、训练方式及经济性等方面的局限，提出了一种采用柔索机构的并联柔索驱动下肢康复机器人，通过四根并联分布的柔索实现对使用者下肢大范围被动训练运动。建立了该机器人的运动学、静力学模型，并对柔索驱动中的滑轮摩擦力进行了建模与辨识。针对使用者的每次使用所处位置不确定的问题，提出了一种无需借助外部设备的使用者位置自主辨识方法。基于位置辨识，该机器人对使用者康复训练参数进行适应性调整，以实现精确康复策略。搭建了实验平台，通过实验验证了使用者位置自主辨识的可行性，并探究了关节力矩以及受力的规律，检验了下肢康复机器人被动训练的准确性。

关键词：下肢康复柔索驱动位置辨识摩擦力柔性康复机器人