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机械传动

机械传动

2026年02期

《机械传动》杂志，于1977年经国家新闻出版总署批准正式创刊，是中国机械工程学会机械传动分会和中国机械通用零部件工业协会齿轮分会两组织的会刊，在国内享有较高的声誉，在机械行业内具有重要的影响力。

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综述 | 机器人变刚度执行器设计及其应用研究进展

综述 | 机器人变刚度执行器设计及其应用研究进展

摘要：【意义】人机交互、特种作业等应用需求迫切，对机器人关节的柔顺性和动态适应性提出更高要求。变刚度执行器是机器人柔顺关节的核心技术，已成为研究热点。为梳理变刚度执行器的设计、控制、应用及发展趋势，把握核心脉络，对相关成果进行全面综述。【分析】首先，搜集近十年国内外相关文献，对变刚度执行器的研究热度和深度进行统计分析，得出目前的宏观研究历程；其次，对变刚度执行器的调刚原理、传动机构设计、控制策略进行分类，结合理论模型，探讨了各种变刚度理论和方法的优势与局限性，分析了其调刚速度、带宽、能耗以及执行器的负载能力、响应带宽等在不同方案上的特点；再次，结合具体案例，探讨了变刚度执行器在类人机器人、外骨骼机器人、工业机器人末端和特种机器人等领域的应用情况；最后，展望了变刚度执行器在机器人领域的发展方向和技术挑战，探讨了潜在的技术突破和应用前景。随着研究的不断深入，变刚度执行器有望在多学科融合下，助力机器人朝着高效、智能、协作化的方向发展。
综述 | 油气管道机器人速度可控技术研究现状及发展

综述 | 油气管道机器人速度可控技术研究现状及发展

摘要：【意义】油气管道机器人作为管道全生命周期运维体系中的特种作业装备，需在高温、高压及腐蚀性介质等严苛工况下完成检测、维护与修复任务。鉴于全被动驱动式机器人易出现卡死等自主性问题，基于速度可控机制的差异，系统梳理并分为制动控制型、旁路控制型和自驱动控制型等类型，对各类机器人的本体结构、运动控制方法及算法进行综述，旨在明确其技术特征与应用局限。【分析】首先，对国内外油气管道机器人速度可控技术的发展现状进行系统总结；其次，重点对比分析制动控制型、旁路控制型及自驱动控制型机器人的机械结构设计、动力学建模方法、控制策略及其在管道防卡、检测与定位中的性能表现；最后，结合当前研究进展，总结油气管道机器人在结构模块化、控制算法协同化等方面的发展趋势，并对未来研究方向提出展望。通过多角度综述，为推动油气管道机器人向智能化、自适应化方向发展提供参考与技术支撑。
机器人驱动与构型创新 | 基于刚性约束的新型三平移绳驱并联机器人构型设计与性能分析

机器人驱动与构型创新 | 基于刚性约束的新型三平移绳驱并联机器人构型设计与性能分析

摘要：【目的】针对绳驱并联机器人（Cable-DrivenParallelRobots,CDPRs)与刚性支链结合场景下，有效设计分析方法缺失、动态性能评价指标不足的问题，基于约束的构型综合方法对CDPR结构开展创新设计，并提出相应的新型评价指标。【方法】首先，基于约束的构型综合分析末端执行器的驱动和约束条件，设计了一种新型三平移高速CDPR；其次，推导了机构的运动学和静力学模型，分析了机构在工作空间内的灵巧度指标；最后，建立了机构的动力学模型，在特定的规划轨迹和高加速度前提下，计算了其动态工作空间，并以加速度区间（Acceleration Interval,ACI)的体积与任务工作空间体积的比值{为指标，分析了机构的动态性能。【结果】试验结果表明， ζ=0.951 时，机构拥有良好的动态性能；同时，加速度区间的分析可为轨迹规划提供设计参考。
机器人驱动与构型创新 | 基于复合轮系的变刚度关节设计及试验验证

机器人驱动与构型创新 | 基于复合轮系的变刚度关节设计及试验验证

摘要：【目的】针对传统关节人机交互性差、刚度调节范围有限的问题，设计一种基于复合轮系的新型变刚度关节，通过改变轮系转动方式实现“调刚”与“恒刚度输出”，提升关节环境适应性。【方法】首先，详细分析关节变刚度原理、构型及主体结构，计算其调刚范围；其次，开展运动学分析，探究复合轮系运动规律及刚度调整的数学关系；最后，制作样机，搭建试验平台进行刚度测量试验。【结果】结果表明，该关节可实现的调刚范围为 0～1.345×10⁶N?mm/rad ，试验曲线与理论曲线相似度为0.92，验证说明所设计关节具备良好的变刚度特性。
机器人驱动与构型创新 | 基于弯扭一体致动器的仿龟软体机器人设计与研究

机器人驱动与构型创新 | 基于弯扭一体致动器的仿龟软体机器人设计与研究

摘要：【目的】针对现有仿龟机器人难以兼顾多模态运动与多场景适应的问题，基于龟类肢体运动学特性，设计并优化兼具弯曲与扭转功能的弯扭一体致动器，实现仿龟软体机器人的两栖运动与环境适配。【方法】首先，优化致动器结构参数，通过试验表征其输出特性；其次，依据陆龟与海龟运动模式差异，构建非对称、对称及转向步态规划，设计气动控制方案；然后，集成视觉识别系统；最后，制作机器人样机，开展负载、多环境运动及避障寻物试验。【结果】试验表明，该机器人最大负载达 1145g （自身质量的2.6倍），仿陆龟步态速度为 1.15cm/s （相当于每秒移动体长的0.058），仿海龟步态速度为 0.59cm/s （相当于每秒移动体长的0.03)；在沙地、崎岖路面、斜坡及浅水环境中运动稳定，且具备环境感知与自主避障寻物能力，满足设计要求。
机器人驱动与构型创新 | 松散介质下机器人螺旋钻进机制分析与机构设计研究

机器人驱动与构型创新 | 松散介质下机器人螺旋钻进机制分析与机构设计研究

摘要：【目的】针对松散介质下钻进机器人研究匮乏、土壤-螺旋钻进机制分析不足的问题，设计一款新型螺旋钻进机器人，满足高效钻进与灵活避障的实际需求。【方法】首先，通过土壤-螺旋相互作用分析，建立运动学与动力学模型，揭示单螺旋钻进偏转的核心机制；其次，设计左旋-右旋-左旋组合推进机构以抵消偏转影响，搭配3R1T混联机构实现空间三维转向；再次，利用Matlab软件分析混联机构工作空间，验证转向灵活性；最后，建立离散元与多体动力学(Discrete Elementand MultibodyDynamics,DEM-MBD)耦合仿真模型，全面验证机构性能。【结果】仿真结果表明，多螺旋组合使单螺旋偏转误差控制在 3% 以内，混联机构具备3R1T自由度与充足工作空间；机器人9s内轴向钻进 150mm ，竖直方向位移可控在 35mm 内，可有效解决单螺旋偏转问题，实现松散介质下高效钻进与灵活转向。研究可为同类机器人设计提供参考。
机器人驱动与构型创新 | 仿乌贼水下机器人系统设计与试验

机器人驱动与构型创新 | 仿乌贼水下机器人系统设计与试验

摘要：【目的】针对水下机器人在复杂环境中适应能力不足的问题，借鉴乌贼外形特征及波动-喷射复合运动模式，设计双驱动仿乌贼水下机器人，实现多模态协同推进，提升水下作业灵活性与适应性。【方法】首先，构建波动-类喷射复合驱动系统，波动推进机构通过多组摆杆与凸轮连杆驱动柔性鳍摆动，类喷射机构借助螺杆联动6组连杆控制耐压气囊体积，调节排水量产生推进力；其次，利用运动仿真验证执行机构轨迹合理性，以减小应力集中为目标优化摆杆结构；再次，通过材质对比试验筛选柔性鳍最优材料；最后，研制实物样机，开展浮潜、游动等多模态运动试验。【结果】仿真与试验结果表明，摆杆运动段前长从 60mm 优化至 70mm 、夹板厚度从 4mm 优化至6mm ，应力与位移峰值显著降低；机器人浮潜平均速度为 0.125m/s ，游动平均速度为 0.25m/s ，橡胶材质柔性鳍推进效率最优；复合驱动方案可行。研究可为复杂水下机器人设计提供参考。
机器人驱动与构型创新 | 寄生机构式轮腿机器人空间刚度研究

机器人驱动与构型创新 | 寄生机构式轮腿机器人空间刚度研究

摘要：【目的】针对复杂空间多连杆机构刚度分析中计算效率低、与试验结果偏差大的问题，基于宿主-寄生机构原理，设计多连杆平行解耦式轮腿机器人，实现高效、准确的空间刚度建模与分析。【方法】首先，依据宿主-寄生机制构建轮腿机器人构型，为后续刚度建模提供结构基础；其次，利用Matlab软件建立由极少计算单元组成的空间拟合刚度分布(Spatial Fiting Stifness Distribution,S-FSD)模型，简化刚度计算流程；然后，通过Ansys软件静力学仿真获取参考数据，采用蒙特卡洛法对模型参数进行拟合，提升模型计算精度；最后，开展实物试验，验证所建模型的正确性。【结果】研究表明，S-FSD模型计算效率显著提升，计算时间减少99. 35% 以上；单位姿最大偏差为4.06% ，多位姿综合拟合后最大偏差为 19.66% ，与实测刚度的最大偏差仅为 14.5% 。研究揭示了机器人在x、y、z方向刚度分布的差异性规律，可为轮腿机器人结构优化与轨迹规划提供参考。
机器人驱动与构型创新 | 上肢肌力训练装置测试机构的设计与分析

机器人驱动与构型创新 | 上肢肌力训练装置测试机构的设计与分析

摘要：【目的】针对现有上肢肌力训练装置参数测定存在主观依赖性高、适配性差的问题，设计一款可适配高拉和下压两种上肢肌力训练装置的测试机构，实现训练参数的高精度测定，以满足健身与医疗康复领域的精准训练需求。【方法】首先，利用两种专用适配器，使测试机构分别与两种装置构成R-S-S-P型和R-P-R-P型空间四杆机构，保障多样化适配；其次，推导等速、等张模式下机构的速度参数与力参数，建立运动学与动力学模型；再次，在等速和等张两种模式下，对测试机构对两种装置的参数测定进行仿真；最后，搭建试验平台，并完成测试机构标定与装置参数测定试验。【结果】仿真结果与理论分析结果高度吻合，试验中速度的测定值与设定值基本一致，阻抗力经标定后的测定值与设定值亦基本一致，验证了测试机构参数测定的高精度与可靠性。
智能控制与优化方法 | 基于强化学习的移动目标柔顺装配方法

智能控制与优化方法 | 基于强化学习的移动目标柔顺装配方法

摘要：【目的】针对机器人自主装配研究多聚焦静态目标，移动目标装配相关研究不足的问题，提出一种视觉阻抗控制器的变参数控制方法，以提升机器人在动态环境中目标跟踪与移动装配的适应性和柔顺性。【方法】首先，结合力反馈与视觉反馈信息，在特征空间构建2阶阻抗控制器，为动态装配提供控制基础；其次，将蒙特卡洛随机失活(MonteCarlo Dropout,MCD)作为概率动力学模型，改进概率推理学习控制优化（Probabilistic Inference for Learning Control Optimization,PILCO）算法，平衡状态不确定性推理能力与计算效率；最后，以特征误差和机器人关节位置信息为观测空间，自适应调整控制器阻抗参数，优化动态跟踪与装配性能。【结果】仿真及试验台验证结果表明，相比原高斯过程模型，MCD模型在保留状态不确定性推理能力的同时，显著缩短训练时间(50轮训练时间从43.50h降至 12.82h ；装配成功率从 94.5% 提升至 98.0% ，平均装配用时从5.820s缩短至3.253s ，超调量大幅减少，跟踪响应更及时。研究可为移动目标柔顺装配提供参考。
智能控制与优化方法 | 基于改进PSO算法的钢箱梁内喷砂机器人轨迹规划研究

智能控制与优化方法 | 基于改进PSO算法的钢箱梁内喷砂机器人轨迹规划研究

摘要：【目的】为提高钢箱梁内喷砂机器人的抗冲击能力和作业效率，提出一种基于改进的粒子群优化(Particle Swarm Optimization,PSO)算法的喷砂机器人轨迹规划方法。【方法】首先，利用改进D-H参数法建立机器人的正运动学方程，并用牛顿-拉夫逊法求解该机器人的逆运动学数值解；其次，使用加权系数法定义机器人轨迹优化目标函数，并以该目标函数为PSO算法的适应度，通过改变粒子更新策略，对PSO算法进行了改进；最后，使用改进PSO算法求解4-5-4分段多项式插值时间，进而求解出机器人的轨迹。【结果】结果表明，粒子更新策略改进PSO算法使适应度的收敛速度提高了 37.5% ，且适应度最低；通过轨迹优化，机器人关节的运行时间缩短了 10.67% ，最大冲击总和减少了 33.45% ，平均冲击总和减少了 32.34% 。
智能控制与优化方法 | 基于转矩分配的巡检机器人爬坡能力优化方法研究

智能控制与优化方法 | 基于转矩分配的巡检机器人爬坡能力优化方法研究

摘要：【目的】针对高压输电线路巡检机器人爬坡易打滑、环境适应性不足的问题，提出一种前后行走轮电动机实时自适应转矩分配方法，以提升机器人爬坡能力与运行稳定性。【方法】首先，建立机器人匀速爬坡静力学模型，推导前、后轮驱动力矩与爬坡角度的映射关系；其次，设计匹配重力负载的双电动机驱动转矩分配系统；最后，构建基于模糊神经网络比例-积分-微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)算法的控制系统，实时修正前、后轮驱动转矩，将滑转率控制在0.2以内。【结果】仿真与试验结果表明，该方法使机器人最大爬坡角从 15^° 提升至 30^° ；相较于模糊PID和传统PID控制，模糊神经网络PID控制的响应速度分别提高 88.33% 与 89.14% ，超调量分别降低 77.35% 与 82.50% ；坡度 0^°～30^° 时，行走轮滑转率均小于0.2，满足巡检作业要求。
智能控制与优化方法 | 基于椭球外形物品包装的自移式缠绕包装机器人运动学建模与仿真

智能控制与优化方法 | 基于椭球外形物品包装的自移式缠绕包装机器人运动学建模与仿真

摘要：【目的】为实现异形物品的高效自动化包装，针对椭球外形物品的缠绕包装需求，设计一种集成自动化导引车(AutomatedGuidedVehicle,AGV)与6自由度机械臂的自移式缠绕包装机器人系统，旨在提升其在复杂曲面包装中的轨迹规划精度与运动控制性能。【方法】首先，构建移动机械臂系统运动学模型；其次，提出拉膜架出膜面与物品表面切平面时刻平行的轨迹规划原则；然后，以椭球体为例，推导动态轮廓母线方程与切平面构建方法，结合逆运动学求解机械臂关节角与AGV位姿；最后，在Matlab软件中开发仿真系统，通过Adams软件验证轨迹合理性。【结果】仿真表明，该方法可以实现椭球体连续稳定缠绕，机械臂关节角位移曲线平滑，且末端轨迹与理论路径吻合良好，验证了系统在异形物品包装中的可行性与控制可靠性。
智能控制与优化方法 | 下肢穿戴装置人机耦合模型与助力特性研究

智能控制与优化方法 | 下肢穿戴装置人机耦合模型与助力特性研究

摘要：【目的】针对现有下肢外骨骼装置体积大、能耗高的问题，设计一种含踝关节助力弹簧的下肢穿戴装置，在不增加人体额外消耗的前提下，降低肌肉代谢，提升助力效果。【方法】首先，分析人体下肢骨骼结构，完成下肢穿戴装置的结构设计；其次，构建人机耦合数值模型，开展多工况下的助力特性仿真分析；最后，借助OpenSim软件进行生物力学仿真，模拟人体穿戴装置行走过程，验证装置有效性。【结果】结果表明，正常步行速度下，穿戴该装置后踝关节平均峰值力矩下降27.4% ，人体肌肉总代谢量降低 5.3% ，小腿主要肌群代谢均有所减小，有效减轻了穿戴者肌肉负荷，实现了良好的助力效果。研究可为被动式助力装置设计提供参考。
工程应用与案例研究 | 面向折弯管型母线的自主绕包移动机器人运动控制

工程应用与案例研究 | 面向折弯管型母线的自主绕包移动机器人运动控制

摘要：【目的】针对现有自动化绕包设备难以适应折弯管型母线、依赖人工示教、效率低的问题，提出一种自主移动绕包机器人系统。【方法】所提系统集成了自动导引车（AutomatedGuidedVehicle,AGV)移动底盘、六轴机械臂、2D激光雷达与末端绕包机构；通过建立运动坐标系，进行正、逆运动学分析，研究了基于激光雷达的轨迹自规划方法及机械臂与AGV的协同控制策略。【结果】样机试验结果表明，该系统能够感知环境并自适应母线形态变化，突破传统固定工位限制；轨迹误差降低 59.91% ，偏差减小，稳定性显著提升。研究为移动机器人与机械臂的协同作业提供了有效参考。
工程应用与案例研究 | 前列腺辅助穿刺机械手臂机构设计及运动学分析

工程应用与案例研究 | 前列腺辅助穿刺机械手臂机构设计及运动学分析

摘要：【目的】针对前列腺穿刺活检手术环境狭小、人机协作需求高且电磁系统影响定位效果的问题，设计一款前列腺辅助穿刺机械手臂，以满足手术精准定位的实际需求。【方法】首先，建立机械手臂三维模型，并分析各机构实现方式；其次，基于标准D-H参数法构建运动学模型，完成正、逆运动学分析，采用蒙特卡洛法计算机械手臂工作空间；再次，通过跟踪工作空间内的螺旋线，对比误差验证逆运动学方法的正确性；最后，搭建试验平台完成定位试验，并分析位置误差的来源。【结果】所设计的机械手臂可精准到达穿刺点，逆运动学求解误差达 10^-3 级；水平穿刺时距离平均误差为 9.38mm ，倾斜穿刺时为 5.66mm ，验证了机构设计与逆运动学算法的有效性。
工程应用与案例研究 | 外骨骼式上肢康复机器人机构设计与运动学研究

工程应用与案例研究 | 外骨骼式上肢康复机器人机构设计与运动学研究

摘要：【目的】针对上肢康复机器人自由度不足、人机兼容性差、运动范围难以满足康复需求的问题，设计一款外骨骼式上肢康复机器人，以提升肩关节康复训练的有效性与人机适配性。【方法】首先，阐述人体上肢主要关节运动及肩关节构成，分析盂肱关节运动中心漂移现象并完成机器人整体结构设计；其次，建立数学模型并推导运动学方程，借助RoboticsToolbox软件仿真验证模型正确性，基于蒙特卡洛法求解机器人工作空间；最后，在关节空间内采用五次多项式插值函数完成康复机器人轨迹规划与仿真。【结果】所设计机器人的康复运动过程稳定且满足训练要求，其结构设计合理、运动学模型准确，能够覆盖人体上肢日常活动的运动范围，可为患者提供有效的康复训练。
工程应用与案例研究 | 草莓无损采摘机器人末端执行器结构设计与试验

工程应用与案例研究 | 草莓无损采摘机器人末端执行器结构设计与试验

摘要：【目的】针对现有草莓采摘末端执行器夹持力控制不佳、易损伤果实或抓取不牢的问题，设计一种同时夹持果实与果梗的无损采摘末端执行器，通过连杆组与扭力弹簧控制最大夹持力，避免采摘过程中果实受损。【方法】首先，建立果实夹持机构的运动轨迹与输出力矩数学模型，设计适配的扭力弹簧参数，借助Adams软件仿真运动轨迹与接触力，利用WorkBench软件的Ls-Dyna模块分析夹持时草莓的应力与变形；其次，建立果梗夹持机构模型，求解稳定夹持与切割果梗所需的力；最后，制作样机并按果梗直径分3组开展采摘试验，对比采摘前、后果实损伤程度。【结果】结果表明，该执行器可夹持直径 24～60mm 的草莓，最大接触力为 0.80N 、最大应力为 57640Pa 、最大变形为 0.677mm ，均在草莓耐受范围内；果梗切割最小驱动力为 13.59N ，采摘成功率为 95% ，满足草莓无损采摘作业要求。
工程应用与案例研究 | 离相封闭母线爬壁巡检机器人设计与壁面运动分析

工程应用与案例研究 | 离相封闭母线爬壁巡检机器人设计与壁面运动分析

摘要：【目的】针对离相封闭母线(Isolated Phase Bus,IPB)人工巡检空间狭窄、效率低且存在安全风险的问题，设计一款可替代人工的爬壁巡检机器人，满足IPB内部转向、圆周运动、水平-垂直管段过渡及越障等运动需求。【方法】首先，采用履带式移动轮组与弹性顶压机构组合方案，实现爬壁功能并建立三维模型，适配IPB复杂内壁环境；其次，对机器人垂直爬壁及转向状态进行受力分析，确定稳定运动的压力临界值；然后，通过Adams软件开展动力学仿真，验证压力参数的合理性；最后，搭建IPB试验平台，制作样机并完成各项运动性能验证。【结果】受力分析与仿真结果表明，弹性顶压机构单侧弹簧弹力在112\~266N时可保障稳定运动；样机试验证实，机器人能顺利通过波纹管段（波距 136mm ）、完成水平至垂直管段过渡，适配 270～315mm 间隙的IPB管道，实现全方位巡检，验证了设计的有效性。研究可为IPB自动化巡检设计提供参考。
工程应用与案例研究 | 基于改进Lazy-PRM算法的双臂巡检机器人避障路径规划

工程应用与案例研究 | 基于改进Lazy-PRM算法的双臂巡检机器人避障路径规划

摘要：【目的】针对双臂巡检机器人路径规划中存在的路径冗余、运动冲突及避障能力差、协调性低的问题，提出一种基于改进惰性概率路图(Lazy Probabilistic Roadmap,Lazy-PRM)算法的避障路径规划方法，提升机器人在复杂环境中的作业可靠性。【方法】首先，采用改进D-H方法与栅格法，构建双机械臂运动学模型及工作空间三维体素环境模型，为路径规划提供基础；其次，设置不同机械臂姿态偏好，辅助逆运动学解选择，保障轨迹平滑性；然后，通过伪随机采样点构建连通图，结合分布式评价函数筛选潜在最优路径；最后，通过碰撞检测验证路径可行性，利用五次多项式插值优化轨迹平滑性。【结果】仿真与试验结果表明，改进算法规划的路径长度最短 (1737.68mm ，较RRT\*算法缩短 5.2% 、较传统Lazy-PRM算法缩短 20.5% ；可操作度达0.2186，优于对比算法；双机械臂无运动冲突，连通图可重复使用。研究可为双臂巡检机器人高效避障路径规划提供参考。

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