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人体步态的多源信息融合感知方法研究

系统仿真学报 2024年

作者：陈贵亮刘国伟李永超蔡超李子浩杨冬河北工业大学机械工程学院

针对下肢外骨骼辅助过程中步态感知能力不足的需求，基于对人体步态相位特征以及相关主要关节的运动学和动力学信息变化的分析，提出了一种人体下肢步态相位优化分类模型。针对所要采集的步态相位特征信息，设计了一套无线传输步态信息... 详细信息

针对下肢外骨骼辅助过程中步态感知能力不足的需求，基于对人体步态相位特征以及相关主要关节的运动学和动力学信息变化的分析，提出了一种人体下肢步态相位优化分类模型。针对所要采集的步态相位特征信息，设计了一套无线传输步态信息采集系统。在人体步态实验中，利用扩展卡尔曼滤波融合加速度和角速度信息，以准确计算人体关节角度，并结合足底压力数据使用核主成分分析法进行降维处理，运用最小二乘支持向量机算法对步态数据进行分类并使用粒子群优化算法寻找最优分类参数，且与BP神经网络和随机森林算法的识别性能进行比较。实验结果证明，降维处理后粒子群优化的最小二乘支持向量机对于步态相位的识别准确率优于其余方法，达到了97.4%，且时效性也进一步提高，实现了对人体步态相位的准确识别。同时，与单一信息源分类结果作对比，验证了使用多源信息融合分类方法对人体步态相位感知的可行性，为下肢外骨骼机器人的助力决策提供支持。

关键词：多源信息融合步态感知最小二乘支持向量机足底压力关节角度

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爬壁机器人磁黏附模块设计分析与参数优化

工程设计学报 2024年

作者：杨培张明路孙凌宇河北工业大学机械工程学院

作为磁吸附式爬壁机器人的关键部件，磁黏附模块的结构通常会影响机器人的总体重量及黏附稳定性。针对磁黏附模块磁路耦合关系复杂、优化设计困难等问题，结合仿真技术、代理模型、蜣螂优化算法提出了一种磁黏附模块结构优化方法，这有... 详细信息

作为磁吸附式爬壁机器人的关键部件，磁黏附模块的结构通常会影响机器人的总体重量及黏附稳定性。针对磁黏附模块磁路耦合关系复杂、优化设计困难等问题，结合仿真技术、代理模型、蜣螂优化算法提出了一种磁黏附模块结构优化方法，这有助于提高磁力计算和优化设计过程的效率。介绍了爬壁机器人的概念设计，并通过对比现有Halbach阵列磁路模式，得到三磁路模式具有相对较高的黏附效率。基于初设参数对虚拟仿真模型进行了实验验证，为后续代理模型的建立奠定了基础。建立了以机器人黏附稳定性和结构参数为约束，以磁黏附模块轻量化为目标的优化模型。采用最优拉丁超立方、Ansys参数化建模及代理模型技术建立了磁力与磁黏附模块结构参数之间的四阶响应面代理模型，并对其可信度进行了验证。利用蜣螂优化算法对优化模型进行求解。结果表明，建立的代理模型预测误差很小，能够较好的表达磁力与参数之间的关系，优化后的磁黏附模块重量减小了12.7%。最后，通过机器人负载实验验证了优化过程的正确性。

关键词：爬壁机器人磁黏附模块代理模型参数优化磁路仿真分析

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低照明复杂环境下吸烟行为检测技术研究

安全与环境学报 2024年

作者：谭梦颖王祥聂磊湖北工业大学机械工程学院

实时的吸烟行为监测对于保障工地安全具有重要的意义。本文针对隧道等低照明环境因光照强度低、光线分布混杂、点光源过曝光而导致的烟支检测精度低的问题，提出了一种基于改进YOLOv5s (You Only Look Once Version 5s)的吸烟行为检测... 详细信息

实时的吸烟行为监测对于保障工地安全具有重要的意义。本文针对隧道等低照明环境因光照强度低、光线分布混杂、点光源过曝光而导致的烟支检测精度低的问题，提出了一种基于改进YOLOv5s (You Only Look Once Version 5s)的吸烟行为检测模型。首先，设计了一种图像增强方法，旨在限制点光源过曝光产生的局部高光，增强烟支特征细节，改善图像对比度。其次，引入卷积块注意力模块(Convolutional Block Attention Module，CBAM)，使模型更加聚焦烟支目标区域的内容信息和位置信息。最后，改进多尺度检测头，增加适用于烟支的更小检测层，提升模型对烟支的检测能力。试验结果表明，本文提出的针对低照明环境的检测模型将平均检测精度从91.8%提升至95.9%，相较于原模型和其他经典模型，检测效果得到了显著提升，验证了本方法的有效性。

关键词：安全工程低照度图像目标检测图像增强注意力机制

仿变形虫可重构履带机器人设计与避障性能分析

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工程设计学报 2024年

作者：张明路刘宗厚王经天高强许志凡曹刘猛河北工业大学机械工程学院

针对现有的移动机器人在复杂狭窄环境下通过性和灵活性不足的问题，受变形虫的重组变形机理启发，提出一种模块化可重构履带机器人。模拟胞质颗粒的刚柔转换特性，融合俯仰和偏航关节，设计出基于闩锁结构的可锁定履带模块。将多个履带... 详细信息

针对现有的移动机器人在复杂狭窄环境下通过性和灵活性不足的问题，受变形虫的重组变形机理启发，提出一种模块化可重构履带机器人。模拟胞质颗粒的刚柔转换特性，融合俯仰和偏航关节，设计出基于闩锁结构的可锁定履带模块。将多个履带模块串联组成闭环单链以支撑起机器人整体轮廓，在内部柔性机体的驱动下，能够实现连续滚动。通过机体头部逐个调整前端履带的关节角并锁定，同时尾部对后端的履带依次解锁，机器人可在前进中主动改变自身几何形态。基于关节角描述的相邻履带模块间的位置关系，可获取机器人的形态矩阵，通过关节角序列的迭代分析，建立了机器人的运动模型。此外，仿真分析了机器人的形态变化范围，以准确评估其运动灵活性。为验证机器人运动性能，制作样机并开展一系列测试实验。结果表明，机器人转弯半径为17.7 cm，通过连续改变偏航方向，可实现狭小约束空间下的灵活避障，配合俯仰关节的被动适应，可穿越各类崎岖地形，验证了机器人的灵活性和通过性。研究结果可为移动机器人的仿生结构设计提供新思路。

关键词：仿生机器人可重构机构运动建模形态分析灵活避障

弹射与阻拦一体式电磁弹射装置的电磁特性分析

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兵工学报 2024年

作者：赵童李德胜叶乐志贾亚辉王斌李泽群北京工业大学机械与能源工程学院

针对线性弹射装置占地面积大、结构复杂和质量大的固有缺点，提出一种单轴一体式钢索拖动新型电磁弹射和阻拦装置。装置由永磁储能电机、电涡流离合器、电涡流制动器和绕线轮等组成。介绍了装置的结构和工作原理。基于安培环路定理建立... 详细信息

针对线性弹射装置占地面积大、结构复杂和质量大的固有缺点，提出一种单轴一体式钢索拖动新型电磁弹射和阻拦装置。装置由永磁储能电机、电涡流离合器、电涡流制动器和绕线轮等组成。介绍了装置的结构和工作原理。基于安培环路定理建立电涡流离合器和电涡流制动器的电磁理论模型。通过与三维有限元计算结果对比，分析电涡流离合器和电涡流制动器的电磁特性。通过制作的电涡流制动器的小型试验样机验证电磁理论模型的正确性和有效性。最终进行动力学分析。研究结果表明，该装置可以使30 000 kg的飞机在2.1 s内从0 m/s加速到70 m/s，并且能够使72 m/s的飞机在2.6 s停下，满足设计指标的要求。

关键词：电磁弹射与阻拦电涡流离合器电涡流制动器安培环路定理电磁特性

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新型电机泵用湿式电机的搅油损失力矩研究

机械工程学报 2024年

作者：孟彬陈义张晨晨张震舟李胜阮健浙江工业大学机械工程学院

为去除电机泵泵轴上固有的动密封，提出一种简便易行的湿式电机新结构。基于湿式电机存在的搅油损失，为了研究其搅油机理，推导得出湿式电机搅油力矩损失的解析模型，将整个搅油损失分为三个部分计算，分别是周面摩擦阻力矩、推油阻力... 详细信息

为去除电机泵泵轴上固有的动密封，提出一种简便易行的湿式电机新结构。基于湿式电机存在的搅油损失，为了研究其搅油机理，推导得出湿式电机搅油力矩损失的解析模型，将整个搅油损失分为三个部分计算，分别是周面摩擦阻力矩、推油阻力矩和端面摩擦阻力矩。基于CFD数值模拟研究转子在油液中旋转引起的流场分布及搅油损失机理。设计制作样机并搭建了试验台架，测试不同转速下的搅油力矩。结果表明解析、数值以及试验三者较为吻合，搅油力矩随转速的上升而增大。在转速12 000 r/min下，试验测得搅油力矩达到0.87 N·m,CFD模拟结果中推油阻力矩达到0.55N·m，占总阻力矩的62%。表明在设计高速湿式电机时，应着重优化与推油阻力矩相关的结构参数。同时测试三组不同温度下的搅油力矩，发现随着温度升高，力矩会有小幅下降。研究结果对电机泵用湿式高速电机的搅油损失机理和减阻优化具有较好的指导意义。

关键词：湿式电机搅油损失解析模型 CFD模拟电机泵

基于准零刚度机构与间接力控制的恒拉力系统设计与分析

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机械设计 2024年第2期41卷 1-7页

作者：杨杰任天华姜与刘英辉甄冬李琳河北工业大学机械工程学院天津300401 天津航天机电设备研究所天津300458

现有的悬吊式微低重力模拟恒拉力系统常采用力传感器数值作为反馈直接控制系统,但实际情况下力作为反馈信号常会产生突变,影响系统控制精度。为了改进刚性控制策略下系统稳定性差与大冲击条件下力误差大的状况,文中设计了包含准零刚度... 详细信息

现有的悬吊式微低重力模拟恒拉力系统常采用力传感器数值作为反馈直接控制系统,但实际情况下力作为反馈信号常会产生突变,影响系统控制精度。为了改进刚性控制策略下系统稳定性差与大冲击条件下力误差大的状况,文中设计了包含准零刚度机构的恒拉力系统,通过控制准零刚度机构长度间接对恒拉力系统输出拉力进行控制。对准零刚度机构进行受力分析,明确影响准零刚度机构性能的关键指标和准零刚度机构的工作行程区间,建立恒拉力系统动力学模型,设计控制系统。为了验证系统控制精度与系统抗干扰性能,进行了动力学联合仿真对设计进行验证,仿真结果表明:该恒拉力系统拉力的控制误差可控制在2%以内,且具有较好的鲁棒性。

关键词：准零刚度恒拉力机构微重力模拟重力补偿

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超声速侧向喷流干扰流场的稀薄效应研究

空气动力学学报 2024年

作者：卢天琪孔小平刘艳陈浩扬州大学机械工程学院航空工业沈阳飞机设计研究所中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所

反作用控制系统（RCS）具有快速响应、灵活控制的特点，在临近空间飞行任务中可实现飞行器的精准姿轨，然而连续流区建立的侧向喷流干扰机理在稀薄流域逐渐弱化甚至失效。为了解决这一问题，针对平板和楔形块两种构型，采用直接模拟蒙... 详细信息

反作用控制系统（RCS）具有快速响应、灵活控制的特点，在临近空间飞行任务中可实现飞行器的精准姿轨，然而连续流区建立的侧向喷流干扰机理在稀薄流域逐渐弱化甚至失效。为了解决这一问题，针对平板和楔形块两种构型，采用直接模拟蒙特卡洛方法（DSMC）开展了超声速侧向喷流/高超声速来流相互干扰流场的稀薄效应研究。结果表明，平板和楔形块喷流干扰流场均出现经典干扰结构，如多涡、多激波等；特别地，楔形块构型中出现类似马赫杆的特殊弓形激波结构，其由大入射角前缘激波与喷流弓形激波相互干扰而形成。随着流动逐渐变稀薄，喷口前涡结构逐渐减小至消失，激波增厚且干扰减弱，前述特殊弓形激波结构逐渐消失。基于壁面压力、切应力和热流系数分别定义了三种无量纲干扰强度和干扰区长度，且均随努森数呈近似幂律关系递减。其中，超声速喷流干扰作用对平板与楔形块壁面热流的增长最显著，受到的稀薄效应抑制作用也最强；干扰区长度则与气动特性参数无关，亦与本文的两种几何构型无关。

关键词：超声速喷流 DSMC 稀薄效应侧喷干扰气动特性

控制-传感信号时滞补偿下柔性机械臂控制方法设计

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机械设计与研究 2024年第3期40卷 152-156页

作者：宋磊杨耀宁河南轻工职业学院郑州450008 云南大学建筑与规划学院昆明650500 柏林工业大学德国柏林10623

相比于刚性机械臂,柔性机械臂因其结构及材料具有抗弯曲、刚度较低的特性,会产生信号延迟。目前,描述柔性机械臂控制大多基于时域信号分析建立,而时域分析模型忽略了控制与传感信号之间产生的不同高阶模态特征,导致二者存在时间滞后差... 详细信息

相比于刚性机械臂,柔性机械臂因其结构及材料具有抗弯曲、刚度较低的特性,会产生信号延迟。目前,描述柔性机械臂控制大多基于时域信号分析建立,而时域分析模型忽略了控制与传感信号之间产生的不同高阶模态特征,导致二者存在时间滞后差。设计一种控制-传感信号时滞补偿下柔性机械臂控制方法。采用奇异谱分析对经过去噪处理的控制信号进行时频分解,以获得控制信号在时频域上的分布情况。使用Hilbert-Huang变换方法对传感信号进行频域变换,获取传感信号在频率空间上时间和幅值的变化规律。将控制-传感信号同步压缩后,生成替代数据边际谱,根据对边际谱生成信号的统计规律和非平稳数据辨别,完成控制-传感信号的延迟补偿,优化柔性机械臂的控制过程。实验结果表明:该方法的控制信号与传感信号延迟的很小,同时柔性机械臂的运动范围在正常范围之内。这些结果表明该方法具有良好的柔性机械臂控制效果。

关键词：柔性机械臂控制信号传感信号时频分解方法 Hilbert-Huang变换

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