摘要：传统的下肢骨折治疗方案普遍存在复位精度差、易造成二次创伤与并发症、延迟愈合等局限性.随着现代医学和机器人学的交叉融合,基于六自由度并联机构的微创骨折复位与固定技术得到广泛关注和应用.现有六支链并联骨折外固定支架普遍存在术前CT扫描易造成伪影、影响骨折复位轨迹规划的不足.针对上述问题,本文设计了一种三支链六自由度并联外固定支架3-SPRP.由于此支架用于人体下肢骨折的复位与固定,为了满足外固定支架的轻质量高刚度需求,本文开展了将支架质量与刚度均视为优化目标的多目标优化设计.首先,采用闭环矢量法建立3-SPRP并联外固定支架的位置逆解模型,基于瞬时旋量建立运动/力映射模型;其次,采用半解析建模法建立3-SPRP并联外固定支架的静刚度模型,对比理论刚度模型与有限元仿真模型在6个典型位姿下的各向线刚度,验证支架刚度模型的准确性;最后,以瞬时变形能为刚度指标,将3-SPRP并联外固定支架的刚度与质量均视为优化目标,开展多目标优化计算,定义最小距离法确定支架刚度与质量的最佳匹配关系.优化后整机质量约为0.889 kg,相较于优化前仅增加24 g,而各向线/角刚度值普遍提升50%左右,表明3-SPRP并联外固定支架的刚度优化设计的有效性.上述工作将为后续三支链六自由度并联骨折外固定支架的物理样机制造与实验研究提供理论基础.

摘要：众包利用广泛的社会化设计资源解决企业创新难题,实现企业创新研发模式的升级。为研究众包设计平台工作者之间的关系及形成原因,总结了两类众包设计平台,并基于复杂网络构建两类众包设计平台工作者关系网络,从网络的度分布、平均路径长度、网络直径、集群系数、模块度和社区数量等复杂网络指标探究了网络特性,研究了两类平台不同的网络特征并探究工作者关系网络形成机理。以国内外2个典型众包设计平台为例,验证了所提方法的有效性和适用性。

摘要：目的:提高码垛机器人的动态性能并降低能耗。方法:通过静、动力学分析确定以质量最小、最大位移最小、第一阶固有频率最大、最大应力最小为优化目标,以结构参数为设计变量,利用Box-Behnken和RSM方法建立目标函数的近似模型;提出一种基于有限元分析结果的层次分析法(AHP-FEA)用于权重系数的分配,并以综合目标函数作为评价指标,利用NSGA-Ⅱ算法求解;基于AHP-FEA方法获得腰部转台的优化模型,并与初始模型进行对比。结果:在保证结构强度、刚度和振动稳定性的情况下,质量减轻了9.6%。结论:与常见的平均分配法和经验赋权法相比,采用AHP-FEA权重系数下的优化综合目标函数值最小,其综合优化效果更优。

摘要：移动机器人作为智能勘探与侦察的自动化装备,在航天探测、军事侦察、抢险救灾等领域具有广阔的应用前景.兼具良好的机动性及越障性是移动机器人快速适应非结构化复杂环境的首要性能指标,结合轮式行进机构强机动性与腿式行进机构优越障性的变形轮腿式移动机器人受到普遍青睐.然而,现有变形轮腿式移动机器人在设计与优化方面仍存在变形形式过于复杂、设计方法缺乏理论依据等不足.针对上述问题,提出一种结构紧凑、操作简便的新型轮腿变换结构,借助电磁离合器分离运动的原理,通过改变轮-腿变形动力输入促使轮与腿相对运动,以曲柄滑块机构触发轮-腿结构径向扩展,完成由轮式变形为腿式的过程.定义变形过程中曲柄滑块机构的压力角为机动性指标、变形前后结构的展开比为越障性指标,进而开展变形结构的尺度综合,优化结果表明新型变形轮腿式移动机器人的展开比为1.92,可越过高度为150 mm的障碍物.基于优化后的尺度参数,建立变形轮腿式移动机器人越障过程的动力学模型,确定驱动电机参数,设计并制造物理样机.最终开展软件仿真与实验研究,仿真结果与理论分析结果一致,表明优化设计方法与动力学建模方法的有效性,实验结果证明所设计的变形轮腿式机器人具有较强的机动性与越障性.

摘要：针对2D-3D医学图像配准过程中存在的初始参数变换范围小和配准对象单一等局限性,提出了一种基于参数映射和图像分割的初始位姿估计方法,扩大了三维物体空间参数的起始运动偏差范围,解决了骨科手术导航系统在配准过程中可估计参数少和多骨块图像配准难等问题.首先,使用区域生长算法对多骨块影像进行图像分割与感兴趣目标的提取,完成待配准目标数据的获取.其次,基于正交融合投影原理构建投影成像模型,将空间刚体变换参数分解到正侧位平面上,建立空间参数与平面参数间的映射关系.然后,将投影生成的正交双平面模板与对应目标图像进行匹配,并将得到的正侧位平面配准参数转换为空间参数,从而完成三维物体初始位姿的有效估计.最后基于颅骨、完整股骨和骨折股骨的CT数据对该方法进行验证,并与传统2D-3D图像配准方法进行对比研究.实验结果表明,所述方法可使5个空间参数的初始变换范围达到±30 mm或±20°,并且对在该范围内的不同研究对象都展现出良好的初始位姿估计效果.与传统图像配准方法相比,基于上述方法进行2D-3D迭代优化的整体配准时间平均缩短46.5%,单个平移参数配准精度最高提升69.2%,单个旋转参数配准精度最高提升91.1%,同时最终配准结果也兼具良好的鲁棒性.

摘要：平衡摇臂悬架主要应用于移动机器人中用以提高其地形适应能力和运动稳定性,差动平衡机构是平衡摇臂悬架的重要组成部分,齿轮式和连杆式是其中应用较为广泛的两类,其中连杆式由于不占用机身内部空间、便于拆卸的特点,独具优势.现有连杆式差动平衡机构多源于空间RSSR机构,存在构型单一、布置不合理、机构运动特征描述模糊的问题.针对上述问题,总结了连杆式差动平衡机构的运动特征,概括了其实现运动功能的基本条件,将机构的构型综合简化为对单侧单自由度单环机构的综合.利用螺旋理论,分析了机构运动螺旋与约束螺旋间满足的几何关系,并根据机构公共约束数量及类型的不同对仅含有R副的机构进行构型综合.面向实际应用场景,从结构复杂度、布置方式对机器人运动的影响程度以及制造和装配难度等方面比较分析,进行构型优选.对典型的RxRxURzRz机构进行运动学建模,分析得到机构的位置正逆解并讨论了机构的奇异位型.以机构的运动/力传递性能为评价指标,利用螺旋理论建立机构的运动学性能评价模型,对机构的尺度参数进行优化设计.建立基于连杆式差动平衡机构的移动机器人虚拟样机模型,利用ADAMS对其在复杂非对称地形的运动进行仿真分析,结果显示移动机器人具有良好的地形适应能力和运动稳定性,验证了机构功能的有效性.

摘要：带式输送机是一种现代化生产中重要连续运输设备,为提高其速度控制性能,解决调速过程存在的平均加速度不合理,超调量和振荡大的问题,设计出一种变权综合型适应度函数。该适应度函数中的误差绝对值积分部分用于优化比例-积分-微分(Proportional-integral-derivative,PID)控制器的综合性能;加速度调节部分用于在符合现行带式输送机设计规范前提下设定平均加速度;超调量抑制部分用于实现被控对象的响应速度无超调和振荡;稳态误差抑制部分用于保证被控对象响应速度的稳态误差为零。仿真试验结果表明,采用基于变权综合型适应度函数的粒子群优化算法(Particle swarm optimization,PSO)智能整定PID控制器参数,实现带式输送机平稳调速,平均加速度符合带式输送机设计规范且可调,响应速度快,无超调、无振荡、零稳态误差,有效降低对带式输送机造成损坏,提高控制性能;其适应度函数的参数易于获取、PID控制器的初始参数可随机设置,参数整定过程简便,易于实现,利于工程应用,在煤炭、港口、电力、矿山、冶金、化工、农业等领域具有重要应用价值。

摘要：建立了MD-1200YJ型码垛机器人大臂的有限元模型,通过模态试验验证有限元模型的准确性;通过考虑动力学因素的静力学分析、约束模态分析、振动响应试验、频率响应分析,确定以质量最小、第一和二阶固有频率最大、最大位移最小、最大应力最小为优化目标,以结构参数为设计变量,以设计变量的边界条件为约束条件,利用Box-Behnken和RSM方法建立目标函数的近似模型,并利用NSGA-Ⅱ算法求得最优解。结果表明,前两阶固有频率提高,结构刚度和振动稳定性提高,降低振动对零部件疲劳损害影响以及最大应力和位移均在允许范围内的情况下,质量减轻了11.3%,验证了该轻量化设计方法的有效性。

摘要：为揭示折展机构连续与瞬时运动的本质与代数关联,将有限瞬时旋量理论(FIS理论)应用于一类过约束折展机构的分析中,提出包括折展单元及其组网机构的运动学分析方法。首先介绍了FIS理论的基本原理、Myard机构和Myard环形组网机构的组成原理。其次对于Myard机构,通过选定合适的初始位形,以构建有限旋量闭环方程的方式解决了折展单元的关节运动参数映射,基于旋量三角积与螺旋运动的定义提出了基于有限旋量的轨迹求解方法,随后由有限与瞬时旋量的微分映射关系得到Myard机构的速度模型。在此基础上,结合参数化的等效广义副将3-Myard环形组网机构简化为单闭环机构,以求解机构的参数映射关系,随后借助与Myard机构相同的分析流程便得到组网机构的位移与速度模型。提出折展单元及其环形组网机构的关节参数映射、运动轨迹和速度模型的分析方法,丰富了折展机构的运动学分析理论,为解决折展单元及其组网机构的运动学分析问题提供了新选择。

摘要：开放式创新作为知识经济时代制造业加快创新速度和提高产品竞争力的主导模式,一直蓬勃发展。为解决开放环境下分布式设计资源聚集难、任务与资源匹配精准度低、设计过程不确定性高导致的产品设计生态趋于恶化的问题,突破现有设计理论和方法的局限性,提出一种基于群体智慧协同创新的众包设计理论。从产品设计过程的微观层面和群智聚集作用的宏观系统层面探索建立众包设计理论体系,对设计过程动态变化机理及众包设计中各项活动进行全面细致分析,并提出关键问题的理论模型和解决方法,为产品众包设计实践提供理论参考。