华南理工大学学报(自然科学版)

过刊浏览

• 连杆-腱绳混合传动模块化多指手的设计与分析

  管贻生, 罗力, 张爱民, 周仁义, 吴桥文, 刘佳萌

  针对传统多指手结构复杂性、抓握力与柔顺性之间的矛盾，该文结合连杆和腱绳各自的传动优势，提出了一种模块化的多指手设计方案。手指模块通过融合刚性连杆机构与腱绳-弹簧柔顺系统，实现近/远指节耦合运动，在维持系统低复杂性的同时获得相对高的抓握力与柔顺性。通过分析手指外力-位移耦合关系，建立了手指指端接触力与柔顺关节转角之间的运动学关系，量化抓握柔顺性能。拇指模块则采用单向腱绳传动方式，通过建立驱动角度与指节转角的映射关系，结合差异化扭簧补偿单向传动的局限，在保证抓握适应性的同时降低整体机构体积，实现对拇指指尖的精确控制。通过模块化设计，为多指手的制造、安装与后期维护提供便利性，降低了总成本。实验结果表明：该多指手具有较高的柔顺性与抓握适应性，能完成Feix分类法中的11类精确抓取与5种全包络抓取，常规尺寸下单指提拉负载能力达98 N。所研发出的多指手已成功集成于广汽研究院GOMATE人形机器人系统，为人形服务机器人的研发提供了一种高适应性的抓取解决方案。

• 未知人体作业环境下基于力信息的机器人法向姿态跟踪方法

  翟敬梅, 钟嘉栋

  在医疗康复与美容护理等人机交互作业场景中，机器人需在人体肌肤表面维持稳定的接触法向姿态。个体和作业区域差异性、作业过程体位变化和实时形变等诸多不确定因素限制了机器人对人体柔性曲面轮廓的跟踪性能。针对该问题，该文在人机力与运动交互作业系统上建立多个辅助坐标系，描述和分析交互过程中的运动，以及力与力矩的关系，并构建坐标系间的变换矩阵。在此基础上，结合弹性力学赫兹接触原理和生物力学黏着摩擦力模型，提出一个基于六维力信息的刚性球形末端执行器与软组织接触运动法向量关系模型，用于实时求解获取当前法向姿态。为确保所获取的六维力信息的准确性，采用二次重力补偿与周期误差力矩补偿的双重补偿机制。该文通过力传感器信息实现了未知人体软组织曲面的机器人法向姿态跟踪，在人脸模型上从眉心经鼻梁至鼻尖轨迹的法向姿态控制实验中，协同法向力柔顺控制的阻抗算法，将法向姿态控制在1.12°~3.20°的偏差范围内，验证了控制方法的有效性，提升了机器人在未知人体作业环境下的自适应性。

• 行星齿轮传动系统非线性点蚀故障动力学分析

  莫帅, 方淅, 陈泽宇, 赵新浩, 陈素姣, 周大坤, 姚博炜, 张伟

  行星齿轮传动系统在润滑不良等极端工况下运行时，容易发生齿面点蚀故障，严重影响传动精度与服役寿命。为保障系统可靠运行，需深入探究点蚀故障下的系统动态特性。该文综合考虑点蚀故障状态下的时变啮合刚度、时变摩擦力、传动误差和齿侧间隙等因素，建立一种多重激励因素耦合的行星齿轮传动系统非线性动力学模型。采用四阶龙格‒库塔数值积分方法对系统振动微分方程进行求解，利用时域图、相平面图、频谱图、小波时频图、三维频谱图及分岔图等表征方法，对不同转速与点蚀故障下的系统振动特性进行分析。结果表明：系统在不同转速下呈现出丰富的非线性动力学行为，包括周期运动、多周期运动及混沌运动等运动特征；轮齿点蚀故障通过改变时变啮合刚度，导致系统振动位移突变，降低了系统稳定性；随着转速的增加，点蚀故障引起的系统振动的振幅也随之增大。该文还搭建了行星齿轮传动系统动力学特性试验台，验证了所建模型及所采用的计算方法的准确性。研究成果揭示了点蚀故障与系统动态特性之间的内在关联，为行星齿轮传动系统的故障诊断与状态监测提供了参考。

• 大幅薄壁铝合金淬火温度场的数值模拟及参数优化

  刘国勇, 舒超, 朱冬梅, 赵剑威

  为探究淬火温度不均匀性对大幅薄壁多腔铝合金性能的影响，分析淬火工艺参数的影响规律并制定优化方案，基于Workbench平台建立了大幅薄壁铝合金淬火过程的数值模型，系统分析淬火方式、冷却强度、喷嘴间距及运行速度对温度场的影响规律，并采用响应面法对关键工艺参数进行多目标优化。针对大幅薄壁铝合金的结构特点和淬火工艺需求，建立了三维热传导模型。通过考虑型材与冷却介质之间的对流换热边界条件，并结合实际生产中的喷嘴布置方式，对淬火过程中的温度场演化进行了数值模拟。结果表明：分级淬火方式能有效提升温度场的均匀性，满足临界冷却速度要求；随着强冷区冷却强度的增大，型材冷却速度提高，但温度场均匀性下降；随着强冷区纵向喷嘴间距的增大，型材在强冷区中的温度差减小，同时使得型材冷却速度下降；随着型材运行速度的增大，型材冷却速度呈先增大后减小的趋势。响应面法结果表明，大幅薄壁铝合金的最优淬火工艺参数如下：强冷区冷却强度为0.92，型材运行速度为27.6 mm/s，强冷区纵向喷嘴间距为280 mm。优化后方案通过在强冷区采用气雾与强喷气交替冷却模式，成功将淬火温差降低至19.8 ℃，并消除了温度回升现象。

• 基于PSO-LQR并切换非奇异终端滑模的宏微复合驱动器控制策略

  喻曹丰, 张奇龙, 杨坤, 魏益军, 胡升阳

  宏微复合驱动器作为精密定位平台的核心部件，其控制精度直接影响平台的性能。为提高宏微复合驱动器的控制精度，该文提出了一种主从结构的双环复合控制策略。在宏动控制环设计中，基于电磁力驱动原理建立动力学模型，分别采用粒子群优化算法整定的线性二次型调节器（PSO-LQR）和传统LQR构建控制器，通过数值仿真与实验测试的对比分析，验证了PSO-LQR控制器在外环控制中具有更高的位移定位精度。在微动控制环设计中，基于线性压磁方程建立动力学模型，通过融合指数趋近律与双曲正切函数设计了非奇异终端滑模控制器作为内环，有效抑制了系统抖振。为验证所提控制策略的有效性，结合激光干涉仪搭建了宏微复合定位实验平台，并开展定位性能实验。结果表明：在相同的条件下，与传统LQR控制器相比，PSO-LQR控制器在阶跃定位和位移跟踪方面具有优越性；微动部分能够实现1 μm的步进，而不会产生位移过冲；当定位目标为15 μm时，在非奇异终端滑模控制器控制下的位移误差约为0.24 μm，有效抑制了系统抖振。在宏微复合定位方面，使用激光干涉仪对光栅位移传感器进行闭环校准，并进行了重复性实验，最终定位精度为370 nm。

• 反向循环式行星滚柱丝杠副设计与动力学分析

  乔冠, 罗宇, 谢海波, 黄江华, 唐术锋

  反向循环式行星滚柱丝杠副是一种螺母可与电机融合设计、易加工、大负载、长寿命的新型传动丝杠，其螺母与多个牙型为环槽的滚柱啮合，多滚柱再与丝杠螺纹啮合传递动力。该文针对反向循环式行星滚柱丝杠副进行创新结构设计，推导了丝杠无螺纹区域的尺寸范围，以及滚柱丝杠副各零部件的参数匹配公式，进行了虚拟建模。在此基础上，推导了反向循环式行星滚柱丝杠副运动参数的计算式。采用ADAMS软件建立了动力学仿真模型并进行结果分析，仿真结果与理论结果的相对误差在0.25%~1.12%之间，验证了该文所采用的仿真方法以及所设计的结构的可行性。最后，分别从工况条件参数和凸台斜面倾角参数2个方面定量分析了反向循环式行星滚柱丝杠副螺纹接触力、滚柱与凸台斜面碰撞力的变化规律。结果表明：螺纹段的轴向接触力受转速和凸台斜面倾角影响非常小，受外部载荷影响较大，轴向平均接触力随着外部载荷的增大而显著增大；随着螺母转速以及丝杠负载的增大，滚柱与凸轮环凸台斜面的碰撞力增大；随着凸台斜面倾角的增大，滚柱与凸轮环凸台斜面的碰撞力大幅减小。该文研究成果对优化反向循环式行星滚柱丝杠副的设计有一定参考意义。

• 基于视觉感知的柴油机单轨吊制动控制策略

  许盼平, 汤裕, 卢昊, 陈明辉, 朱真才, 沈刚, 解辉, 凌疆语

  柴油机单轨吊是煤矿巷道中设备、人员和物料的主要运输设备之一，具有运输能力强、巷道适应性强、连续运输距离长等优点，可大幅提升煤矿井下运输效率。合理的制动控制策略是柴油机单轨吊安全高效运行的根本保证。为提升制动过程的安全性和平稳性，该文提出了一种基于视觉感知的柴油机单轨吊制动控制策略。首先，构建了基于双目相机的前方行人障碍物检测识别方案，借助视觉检测和立体匹配算法实现单轨吊运行过程中前方行人障碍物的识别及实时距离测量；接着，基于实时检测得到的行人障碍物距离信息，结合单轨吊的当前运行速度和载重情况，考虑制动停车距离和制动减速度要求，设计了不同工况下柴油机单轨吊的总体制动控制策略；然后，针对柴油机单轨吊制动过程的运行状态控制问题，考虑不确定性扰动，构建了基于扰动观测器和鲁棒反步控制原理的柴油机单轨吊泵控马达系统运行状态实时跟踪控制策略；最后，基于所搭建的柴油机单轨吊制动控制模拟实验台，开展了不同行人障碍物距离、运行速度、模拟负载下的单轨吊制动控制实验。结果表明，所提出的基于视觉感知的制动控制策略能够有效提高柴油机单轨吊制动过程的安全性和平稳性，其对行人障碍物的距离测量误差控制在4.4%以内。

• 基于图拓扑结构和贪心算法的锚点选取优化

  戴邵武, 顾昊伦

  针对基于数据分发服务的分散式组网导航系统（DDS-DNNS）的锚点选取问题，构建了节点位置图以及节点位置估计模型，并将锚点选取问题表述为固定基数约束下最大化Fisher信息矩阵的D-最优度量问题，以此为基础，设计了基于图拓扑结构的DDS-DNNS锚点选取优化算法。该算法利用图拓扑结构与Fisher信息矩阵D-最优度量之间的联系，将最大化Fisher信息矩阵的D-最优度量近似转化为最大化降维加权Laplacian矩阵的对数行列式值，并基于集合函数相关性质以及Cauchy交错定理证明了近似优化模型是一个非正则、非单调、非负的子模最大化问题，由此设计了包含基于近似最小度排序的稀疏Cholesky分解、惰性评估、矩阵维度保持及置换向量复用、Cholesky分解结果复用的改进贪心算法，用以求解近似优化模型，同时证明了该算法能提供近似优化性能保证，并具有远小于经典随机贪心算法的计算复杂度。最后，通过算例仿真比较了不同算法下位置估计效果、解算时间与锚点数量的关系，得到了固定基数约束的选取准则，验证了改进贪心算法在不同锚点数量下均能保证较高的估计精度，并有效降低计算复杂度。

• 基于变分模态分解与TA-BLSTM网络的车车通信时间同步方法

  陈永, 陶瑄, 谢忱

  车车通信作为我国下一代高速铁路5G-R无线通信系统的关键技术，其时间同步的实现对列车行车安全至关重要。为解决车车通信时间同步易因非平稳无线信道和报文传输时延的影响而导致同步性能偏低的问题，该文提出了一种基于变分模态分解与时间注意力双向长短期记忆（TA-BLSTM）网络的车车通信时间同步方法。首先，通过对车车通信时延误差进行分析，建立了5G-R车车通信时钟模型。接着，采用变分模态分解模型将车车通信时间序列分解为不同频率的本征模态，从而分离出噪声成分，提高信号的信噪比。然后，通过计算能量值识别出噪声主导分量，利用小波软阈值降噪法对噪声分量进行去噪，提高车车通信同步时间序列的质量。最后，提出一种融合时间注意力机制的BLSTM网络，通过BLSTM网络提取车车通信时间同步序列的长期时域特征，并采用时间注意力机制动态捕捉时间同步序列的时序依赖特性，实现对车车通信时间同步偏差的高精度预测与动态补偿，从而完成车车通信时间同步。仿真实验结果表明，该文提出的方法在有中继和无中继场景下均能有效实现车车通信时间同步。与其他方法相比，该方法能够有效降低时间同步偏移，在车车通信时间同步过程中具有更快的收敛速度和稳定性。

• 动态电磁环境下RIS辅助的DRL抗干扰优化

  林玮, 魏强, 熊俊, 周毅, 蒋觉慧, 郑天航, 刘颢

  在复杂电磁环境下，战术无线通信链路面临严重的干扰威胁，易导致通信中断，影响任务执行的稳定性与可靠性。为提升无线通信系统在动态干扰场景中的抗干扰能力，该文提出了一种融合可重构智能超表面（RIS）与深度强化学习（DRL）的自适应抗干扰架构。该架构从增强有效信号强度和生成动态抗干扰策略两个维度出发，协同提升通信链路的鲁棒性和智能决策能力。首先，利用RIS的波束赋形能力实现对无线传播环境的主动调控，从而提升用户信噪比，有效抑制干扰并加速学习策略的收敛；然后，将频点选择与功率控制建模为马尔可夫决策过程，引入结合历史价值评估的贪婪动作选择策略，构建基于双深度Q网络和优先经验回放机制的强化学习框架，通过RIS增强的信号提升策略的稳定性，并显著缩短训练周期。仿真结果表明，在宽带扫频、随机脉冲及智能博弈等典型干扰场景中，该架构的平均通信成功率相比仅采用深度强化学习或RIS的单一方案均有一定程度的提升，充分验证了该架构在高动态环境下的强鲁棒性与广泛适应能力。