This study presents a novel deformable wheeled robot based on an origami mechanism, designed to address the limited environmental adaptability of traditional wheeled robots. The research begins by rigorously establishing the fundamental parameters of the origami unit through an in-depth analysis of the Miura origami motion principle and a comprehensive study of the correlation between geometric parameters. Leveraging the theory of origami thickening, the origami unit is thickened and integrated into the design of the deformable Wheel-Legged mechanism. Controlled by a single motor, four Wheel-Legged structures enable seamless transformation between wheeled and legged forms. The paper provides a comprehensive analysis of the robot’s deformation, obstacle crossing, and other motion processes. Furthermore, it thoroughly investigates the effects of various gaits on the stability of the robot’s movement, followed by rigorous simulation and experimental verification. The experimental results unequivocally demonstrate the robot’s capability in deformation, steering, and obstacle avoidance.
为有效提升下肢外骨骼设计过程中机会把握、需求提取和技术实施的可行性,以及患者需求的满意度,提出一种用户需求导向融合模型,为设计下肢外骨骼产品提供指导.在该融合模型框架下,通过社会-经济-技术分析模式对潜在市场机会进行定位;结合层次分析法提炼用户核心需求并计算权重;通过质量功能展开法分析存在于工程因素间的矛盾;利用发明问题解决理论描述、判别并解决上述矛盾,并转化为设计建议.得到3对技术矛盾和对应的3种解决方式,运用融合模型法实现了下肢外骨骼的创新设计,从多理论融合的角度为用户需求的满足提供了新思路.
针对产品模块化设计过程中易受设计人员个人经验等主观因素的影响,导致产品设计效率不高,甚至设计不合理等问题,提出一种基于设计结构矩阵(Design Structure Matrix,DSM)、最小描述长度理论(Minimum Description Length,MDL)与可适应性评价的产品模块化设计方法.以电动卡丁车模块化设计为例,在模块划分阶段,分析产品各零部件间的关系,构建综合设计结构矩阵,采用层次分裂聚类算法和K-Means聚类算法对矩阵进行分析,得到多种模块划分结果;在方案评价阶段,先通过对比两种不同算法方案的MDL值结果,筛选出更合理的算法方案,再通过可适应性评价方法针对算法方案进行评价,得出最终结果.研究结果验证了基于DSM,MDL与可适应性评价的产品模块化设计方法在模块化设计过程中的合理性和可行性,为产品模块化开发过程中的模块合理划分提供参考.
为改善城市居民对家庭种植设备的满意度,提高产品功能性与实用性,以用户核心需求为导向,提出一种融合文本挖掘、结构方程模型(Structural Equation Modeling,SEM)和TRIZ的设计方法.以种植机用户在线评论文本为来源,通过文本挖掘快速获取产品的用户需求;采用SEM探讨用户需求的层次结构,并确定其主次关系,找出其创新点和矛盾点,将其描述成相应的物理矛盾与技术矛盾,根据TRIZ理论发明原理对矛盾问题进行解耦;对家庭智能蔬菜种植机进行改进设计.将评论文本挖掘、SEM与TRIZ理论进行创新性结合,可得到产品的潜在需求,设计出的种植机符合使用环境要求,为该类产品提供新的设计思路.
蜂窝夹层板的研究主要集中在等效模型的刚度等效研究上,而对于蜂窝板及等效模型的切应力研究相对较少.文中建立了蜂窝夹层板的有限元模型,研究了蒙皮厚度对蜂窝切应力的影响,当蒙皮厚度与蜂窝夹层板厚度之比较大时,忽略蒙皮切应力会使蜂窝芯子切应力偏大;研究了通过三明治夹芯板等效模型仿真得到的应力数据换算为蜂窝芯子切应力的方法;最后分析得到了不同约束条件下三明治夹芯板剪力的分布,并计算了切应力.
刨煤机是薄煤层开采的主要机械,刨刀是刨煤机刨削煤的工具.由于煤层结构复杂多变,在刨削过程中刨刀会受到不同形式的载荷作用,这些载荷对刨刀的刨削性能和刨煤机生产率有着重要影响.文中选取恒定载荷、Normal分布的随机载荷、Γ(Gamma)分布的随机载荷、冲击载荷4种典型载荷及实验测试载荷.基于破煤理论,对单把刨刀进行受力分析.基于ANSYS Workbench对典型载荷及实验载荷作用下的刨刀应力和变形规律进行研究.基于小波能量谱对等效应力信号进行能量谱分析.结果表明:当刨刀受到的载荷为恒定载荷、Normal分布的随机载荷和冲击载荷时刨削阻力(均值)增大确定的倍数,其最大变形量及受到的最大等效应力也会增大相应的倍数;实验测试载荷与Γ(Gamma)分布的随机载荷不会增大相应的倍数.刨刀变形量及所受等效应力的变化趋势与刨削阻力变化趋势一致;刀头部位变形最大且最大等效应力出现在刀头与刀身的连接处及刀身与底座连接处,等效应力信号的能量主要集中在0～1.562 5 Hz的较低频带中,实验测试载荷时能量主要集中在0～3.875 Hz.对刨刀在典型载荷和实验测试载荷作用下的变形、应力及应力信号能量分布的规律研究,为刨刀的结构设计及优化,刨刀的破坏和可靠性分析,提高刨刀刨削性能和刨煤机工作效率等提供了理论依据.
装配体功能尺寸最短路径树能够描述装配体中全部功能尺寸与相关零件尺寸之间的关系,建立装配体全相关尺寸模型.但对于复杂装配体,其要素众多,尺寸关系复杂,功能尺寸最短路径树及尺寸模型的建立很困难,不便在实际中应用.文中提出复杂装配体尺寸分级建模方法,研究复杂装配体分级的一般原则,基于最短路径理论对某装配体进行分级尺寸建模,证明该方法对复杂装配体的尺寸建模与求解是行之有效的.
文中在充分考虑人机工程学的基础上设计了一种特种车辆所用的车载折叠机构.以第50百分位操作人员为例,对车内作业空间进行布局规划,综合水平、垂直作业区域设计设备用折叠机构,并对机构铰接点进行运动学分析,仿真各点运动轨迹,以保证操作人员的舒适性与安全性.同时,对折叠机构关键件的运动速度进行分析,结合分析数据对其进行有限元仿真,以保证设计满足工程需求.
为更好地满足老年人出行和下肢康复的用户需求,将用户行为分析方法运用到老年人电动康复轮椅的设计中.在设计过程中,采用用户观察试验和用户访谈试验等方法对老年人康复训练过程进行研究,通过对调研数据进行量化分析和转化挖掘用户的潜在需求,制订基于用户行为的设计策略,从提升用户体验角度寻求新的解决方案.针对老年人在使用轮椅时出现的问题,采用水平仪控制方案将康复功能与轮椅相结合进行创新设计,并运用ADAMS软件对设计方案进行仿真分析,进一步验证了水平仪控制方案的可行性,为电动康复轮椅结构的进一步优化提供参考.
针对新阶段航天器成本精细化管控的要求,根据航天器科研生产主要环节与分工协作关系,提出了基于参数成本估计法的航天器二维度三阶段研制生产成本管控模型,以供配电分系统为例进行了案例研究.在论证阶段,探索功能与成本的估算关系,基于参数成本估计法构建成本管控模型;在研制阶段,根据分系统历史成本数据,构建预分预控管控模型将总成本合理分解至各承研所厂;在成本管控阶段,基于蒙特卡洛仿真制订激励-约束政策,统筹航天器创新发展与成本管控要求.案例丰富了成本管理的实践研究,对促进我国宇航企业科研生产模式转型升级具有一定的借鉴意义.
文中通过建立塔形井架有限元仿真模型,对井架结构进行应力应变静力分析及模态动力分析,根据分析结果找出井架受力较大部位,推断其实际振动响应,从而确定井架承载过程中的主要危险应力区及井架整体刚度和质量分布情况.最后基于仿真结果,对井架检测点布置提出优化建议.
黑天鹅事件是一种重大且稀有的事件,企业将自己的产品投放市场运行的过程中,如出现黑天鹅事件,将对企业的发展带来致命的影响.为解决黑天鹅事件难以预测和规避的问题,根据待开发产品本身与所处环境的复杂性,确定了黑天鹅事件出现的条件;改进了已有的新产品开发过程模型,使之能包含黑天鹅事件的预测阶段;提出预测该类事件的6步法,并构建了规避方法模板,为新产品开发中是否出现黑天鹅事件提供新的预测与规避方法.
文中叙述了全动模拟机后舱框架骨架的设计方法及模态分析的重要性,介绍了SolidWorks环境下后舱框架自上而下的设计过程.描述了后舱框架模态分析的方法与过程,为全动模拟机后舱框架开发与研究奠定了基础.
为解决现有儿童乘车约束系统的使用率低和误用率高等问题,基于用户需求对集成式儿童安全座椅进行创新设计.基于层次分析法(Analytic Hierarchy Process,AHP)进行用户需求研究,搭建基于文献和用户访谈的集成式儿童安全座椅用户需求层次模型,并计算出各项用户需求要素的权重和排序,确定设计过程中有待解决的重点问题.基于质量功能展开法(Quality Function Deployment,QFD)构建反映用户需求与设计要素关联性的质量屋模型,计算出设计要素的综合权重和排序.基于TRIZ理论,结合设计需求权重,对设计要素实现过程中存在的矛盾冲突进行分析,并根据质量屋模型提出集成式儿童安全座椅创新设计方案.
成果导向教育以预期学习产出为中心,据此组织、实施和评价教学活动各个关键环节.新工科背景下机械工程教育改革亟需进一步创新课程知识体系、教学手段与方式.以重庆大学机械设计课程为例,从反向设计课程目标、重构课程内容、多元深度融合创新实践体系、面向学习进阶的混合式教学模式和学习成果动态评价考核5个层面研究了机械工程教育课程如何实施OBE教育理念,为工程教育课程教学创新设计提供了借鉴和参考.
为适应未来社会发展的不确定性,依托核心课程,培养大学生分析、综合、评价等高阶思维能力变得尤为关键.相应地,与高阶思维能力相匹配的课程教学模式也应具有学生主体、教师主导,挑战性高、开放性强等特点.机械原理是一门技术基础课程,既具有数理及学科基础理论与方法的保障,也具备工程及专业实践项目的支撑,十分适合作为培养学生高阶思维能力的舞台.近年来,北京航空航天大学机械原理课程教学团队立足3个结合(即理论与实践结合、经典与前沿结合、科学与工程结合),从分析仿真、性能评价、创新设计3个层次挖潜机械原理课程中重要知识点的高阶思维训练元素,深入开展探究式、项目化等研究型教学,在提升学生的工程思维、科学思维及人文思维等多维度高阶思维的综合能力方面成效显著.
设计了一种双圆柱副两自由度可倾工作台.该工作台利用双圆柱副方式,采用蜗轮蜗杆驱动,下部结构带动中层结构,进行一个自由度的旋转,上部结构在中层结构上进行一个自由度的旋转,系统刚性高,并具有两个互相垂直方向的旋转自由度,与锥度铣刀结合适合大多数零件五面加工的需求,而且,两个自由度方向的旋转角度可通过旋转编码器输出,结合电磁刹车制动器的断电制动及蜗轮蜗杆的自锁功能,可将工作台工件固定,台面精确、可靠地固定于所需的倾斜角度.
文中提出了一种可实现球面四杆机构多点位函数综合的代数求解新方法.首先,建立了用傅氏级数描述球面四杆机构输出转角函数的数学公式,然后将由傅氏级数表示的输出转角函数代入球面四杆机构输入输出转角函数方程,经变量代换,分析得到了输出转角函数傅里叶系数与机构设计参数间的函数关系,并据此关系建立了球面四杆机构的函数综合设计方程.求解方程,得到球面四杆机构的设计参数.通过综合设计实例验证了该方法的有效性和可行性.
针对工程中对控制点的特殊需求,提出了一种非均匀有理B样条曲面逆节点插入方法.从分析NURBS控制多边形的边及其相关联的节点出发,通过齐次坐标投影确定必须插入节点所在区间,利用插入控制点对控制多边形的边分割与需插入节点对参数区间的分割等比例映射,获得过任意点并与控制多边形对边相交的等参线,得到对应插入节点,再从插入节点出发反方向确定所有需要插入的控制点,协同实现某特殊需求控制点插入的任务.数值算例验证了文中方法对于NURBS曲面插入控制点的有效性,且具有明显的几何和物理意义.
