專欄導(dǎo)讀

人是制造生產(chǎn)活動(dòng)中最具能動(dòng)性和最具活力的因素，智能制造與機(jī)器人最終都需回歸到服務(wù)和滿足人們對(duì)美好生活的需求、促進(jìn)人的全面發(fā)展上來(lái)。2017年，中國(guó)工程院基于人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）正式提出了“新一代智能制造”理念，并認(rèn)為實(shí)施智能制造的實(shí)質(zhì)就是設(shè)計(jì)、構(gòu)建與應(yīng)用各種不同用途、不同層次的HCPS。2021年，歐盟正式提出“工業(yè)5.0”的概念，并指出未來(lái)工業(yè)要更加關(guān)注具有以人為本、可持續(xù)、彈性化等特征的新應(yīng)用、新業(yè)態(tài)和新模式。近年來(lái)，中國(guó)學(xué)者積極開展前瞻研究，闡明并構(gòu)建了人本智造的理論與技術(shù)體系。人本智造領(lǐng)域科技人員在HCPS、工業(yè)5.0、人-機(jī)-環(huán)境共融、人機(jī)混合增強(qiáng)智能、協(xié)作機(jī)器人等方面開展了大量深入研究。2022年《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》第18期，整期出版“人本智造”專輯，該專輯由楊華勇院士、王力翚院士擔(dān)任客座主編，楊賡研究員、王柏村研究員擔(dān)任客座編輯，出版后受到國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注與引用。

為繼續(xù)分享人本智造領(lǐng)域最新成果、廣泛開展學(xué)術(shù)交流，進(jìn)一步探討人本智造的未來(lái)方向和前沿科學(xué)問題，推動(dòng)人本智造理論與技術(shù)的快速應(yīng)用與深入研究，《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部與客座編輯團(tuán)隊(duì)再次聯(lián)合策劃出版“人本智造”專輯。專欄共收錄論文29篇，本期推送中間10篇。專欄已于《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》2025年15期正式出版。

客座專家團(tuán)隊(duì)

楊華勇，中國(guó)工程院院士，國(guó)際智能制造聯(lián)盟主席，中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)，浙江大學(xué)工學(xué)部主任/高端裝備研究院院長(zhǎng)。在電液控制基礎(chǔ)理論、基礎(chǔ)元件和系統(tǒng)，盾構(gòu)和電梯裝備關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)和工程應(yīng)用方面開展了系列研究，形成了“理論-元件-系統(tǒng)-裝備-應(yīng)用”完整的技術(shù)路線，對(duì)我國(guó)機(jī)電液裝備的自主研發(fā)作出了重要貢獻(xiàn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排1）和二等獎(jiǎng)1項(xiàng)（排1）。

王力翚，加拿大工程院院士，瑞典皇家理工學(xué)院講席教授兼卓越生產(chǎn)研究中心主任。研究方向包括人機(jī)協(xié)作、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制、信息物理系統(tǒng)和自適應(yīng)制造系統(tǒng)等。Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, International Journal of Manufacturing Research, Journal of Manufacturing Systems的主編。累計(jì)出版11本著作，發(fā)表700多篇論文。加拿大工程院院士，AET、CIRP、SME和ASME的會(huì)士；北美制造研究院（North American Manufacturing Research Institution）原院長(zhǎng)(2020-2021)，瑞典生產(chǎn)學(xué)院（Swedish Production Academy）原院長(zhǎng)(2018-2020)。2020年SME智能制造領(lǐng)域最具影響力的20位教授之一，在2024年美國(guó)制造工程師學(xué)會(huì)SME評(píng)選中成為唯一一位金獎(jiǎng)獲得者。

王柏村，國(guó)家級(jí)青年人才，浙江大學(xué)百人計(jì)劃研究員，全省智能制造工業(yè)軟件重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任、《工程設(shè)計(jì)學(xué)報(bào)》副主編。長(zhǎng)期致力于智能制造、人機(jī)協(xié)作與數(shù)字孿生等研究，提出基于人-信息-物理系統(tǒng)（HCPS）的人本智造理論與技術(shù)框架，在面向工業(yè)4.0/5.0的技術(shù)探索與應(yīng)用方面取得系列進(jìn)展。作為負(fù)責(zé)人主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（首席）、國(guó)家自然科學(xué)基金面上/青年項(xiàng)目等，發(fā)表SCI/EI論文70余篇、出版中英文專著3部。獲機(jī)械工業(yè)科技進(jìn)步特等獎(jiǎng)（排3）、浙江省教學(xué)成果獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)（排4）。

楊賡，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院研究員，國(guó)家青年人才計(jì)劃入選者，流體動(dòng)力基礎(chǔ)件與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固定成員，博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期致力于機(jī)器人多模態(tài)感知、柔性傳感、智能人機(jī)交互系統(tǒng)等研究工作。在 Nature Electronics、Advanced Intelligent System、Advanced Functional Materials等國(guó)際權(quán)威期刊發(fā)表論文80余篇，其中封面、扉頁(yè)論文16篇，高被引論文3篇。入選全球前2%頂尖科學(xué)家榜單，現(xiàn)擔(dān)任 IEEE RBME、IEEE JBHI、CJME、BDM等權(quán)威期刊編委(Associated Editor)。

劉庭煜，東南大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。長(zhǎng)期從事工業(yè)人工智能及數(shù)字孿生研究，近年主持軍科委前沿科技重大項(xiàng)目課題、國(guó)防基礎(chǔ)科研重點(diǎn)項(xiàng)目課題等重大科技任務(wù)15項(xiàng)，經(jīng)費(fèi)超1500萬(wàn)。研發(fā)的總裝智能車間數(shù)字孿生系統(tǒng)、制造過(guò)程危險(xiǎn)狀態(tài)特征識(shí)別系統(tǒng)等在中國(guó)電科、航天科工應(yīng)用并支撐重大型號(hào)裝備安全高效制造。項(xiàng)目創(chuàng)新成果發(fā)表于KBS、JMS等國(guó)際知名期刊。任數(shù)字孿生青年學(xué)者委員會(huì)主任、數(shù)字孿生國(guó)際顧問委員會(huì)顧問、CGS數(shù)字孿生專委會(huì)常務(wù)委員、CMES工業(yè)大數(shù)據(jù)分會(huì)和成組分會(huì)委員等。

陶永，北京航空航天大學(xué)機(jī)械學(xué)院研究員，博士生導(dǎo)師。機(jī)械工業(yè)服務(wù)機(jī)器人重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。北航科研院文智處副處長(zhǎng)。主要研究智能機(jī)器人“感知與決策”控制、協(xié)作機(jī)器人力位控制、工業(yè)機(jī)器人工藝學(xué)習(xí)與優(yōu)化、航空裝配機(jī)器人等。在期刊和國(guó)際會(huì)議上發(fā)表論文100余篇，其中SCI收錄40余篇，已授權(quán)國(guó)家發(fā)明專利28項(xiàng)。出版專著3本。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人正在牽頭開展國(guó)家機(jī)器人重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“工業(yè)機(jī)器人工藝應(yīng)用程序集成開發(fā)平臺(tái)”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的攻關(guān)研究。獲得機(jī)械工業(yè)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)等7項(xiàng)省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)；現(xiàn)為全國(guó)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)委員、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)機(jī)器人分會(huì)專家委委員等。

鄭湃，香港理工大學(xué)長(zhǎng)聘副教授、博士生導(dǎo)師，黃鐵城【智能機(jī)器人】青年學(xué)者席，“香港理工大學(xué)-萊茵科斯特”智能制造聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室主任。主要研發(fā)興趣包括：人機(jī)協(xié)作制造系統(tǒng)、智能產(chǎn)品服務(wù)系統(tǒng)、工業(yè)人工智能。入選2024年國(guó)際制造工程師協(xié)會(huì) (SME) “杰出青年制造工程師”獎(jiǎng)，2023年香港理工大學(xué)“青年創(chuàng)新研究者”獎(jiǎng)，2022年百度全球AI華人青年學(xué)者榜單(AI+X) 50強(qiáng)。累計(jì)出版英文專著2部，發(fā)表SCI一區(qū)100余篇，WoS他引4800余次，ESI高被引論文11篇。IEEE/CMES高級(jí)會(huì)員、SME/ASME會(huì)員、CIRP青年會(huì)員，任Journal of Intelligent Manufacturing和Journal of Cleaner Production副主編，Journal of Manufacturing Systems和Advanced Engineering Informatics編委。

冷杰武，廣東工業(yè)大學(xué)教授/博導(dǎo)、廣東省計(jì)算機(jī)集成制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任。入選Elsevier中國(guó)高被引學(xué)者，獲得廣東省杰出青年基金，擔(dān)任IEEE TSMC-Systems、JIM、JEM、IET CIM、SREP等SCI期刊副編。研究產(chǎn)線變型設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化，主持國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)課題、國(guó)防科工課題等項(xiàng)目，發(fā)表ESI高被引論文10余篇，獲廣東省與河南省技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)各1項(xiàng)(序3)。

臧冀原，中國(guó)工程院戰(zhàn)略咨詢中心制造業(yè)研究室副主任，副研究員，國(guó)家智能制造專家委員會(huì)副秘書長(zhǎng)，研究方向?yàn)橹圃鞆?qiáng)國(guó)、智能制造和產(chǎn)業(yè)集群。作為團(tuán)隊(duì)主要研究人員參與了我國(guó)智能制造理論體系構(gòu)建、智能制造國(guó)家戰(zhàn)略和政策建議提出，開展區(qū)域和企業(yè)實(shí)證研究。參與中央交辦、工程院院重大、重點(diǎn)及其他咨詢項(xiàng)目（課題）30余項(xiàng)，報(bào)告獲得國(guó)家領(lǐng)導(dǎo)人、省部級(jí)批示多次，為我國(guó)以智能制造為主攻方向，推進(jìn)新型工業(yè)化，提供決策參考。發(fā)表論文20余篇。

01

半主動(dòng)電液驅(qū)動(dòng)的下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制

引用格式:包穎煒, 楊波, 孫茂文, 王澤正, 房理想, 歐陽(yáng)小平. 半主動(dòng)電液驅(qū)動(dòng)的下肢負(fù)重外骨骼機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 185-195.

論文摘要：

負(fù)重行走是工業(yè)搬運(yùn)和消防救援等領(lǐng)域的重要需求，但長(zhǎng)期負(fù)重可能對(duì)人體造成不可逆的損傷。提升負(fù)重能力的輔助設(shè)備一直是研究熱點(diǎn)，下肢外骨骼作為一種有效的解決方案，受到廣泛關(guān)注。面向大負(fù)重下的行走運(yùn)動(dòng)，研制了一種基于半主動(dòng)電液驅(qū)動(dòng)的下肢助力外骨骼機(jī)器人。在設(shè)計(jì)上，該外骨骼根據(jù)軀干和大腿之間的角速度特征以及膝關(guān)節(jié)的力矩特征，采用新穎的半主動(dòng)電液關(guān)節(jié)方案，實(shí)現(xiàn)了矢狀面內(nèi)負(fù)載的有效傳導(dǎo)。建立了關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，針對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的負(fù)載擾動(dòng)，將二級(jí)倒立擺模型和狀態(tài)機(jī)策略結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了阻尼的動(dòng)態(tài)匹配控制：在站立階段，根據(jù)加速度特征，調(diào)節(jié)關(guān)節(jié)阻尼以傳遞步行過(guò)程中動(dòng)態(tài)變化的載荷；在擺動(dòng)階段，半主動(dòng)關(guān)節(jié)保持反驅(qū)特性確保腿的自由擺動(dòng)。實(shí)驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了半主動(dòng)關(guān)節(jié)具備廣泛可調(diào)的液壓阻尼系數(shù)特性和良好的反驅(qū)特性，確保了外骨骼在站立相的阻尼調(diào)節(jié)和擺動(dòng)相的被動(dòng)跟隨控制。外骨骼穿戴測(cè)試結(jié)果表明，在不同負(fù)重工況下，所研制的半主動(dòng)電液驅(qū)動(dòng)外骨骼機(jī)器人都能實(shí)現(xiàn)高效的負(fù)重傳導(dǎo)和較小的背部交互力。

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02

準(zhǔn)被動(dòng)式變剛度踝關(guān)節(jié)助力外骨骼設(shè)計(jì)分析

引用格式:唐欣堯, 楊佳音, 王旭鵬, 殷榕, 劉曉宜. 準(zhǔn)被動(dòng)式變剛度踝關(guān)節(jié)助力外骨骼設(shè)計(jì)分析[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 196-208.

論文摘要：

為了降低人體踝關(guān)節(jié)跖屈時(shí)產(chǎn)生的力矩和減緩小腿肌肉疲勞為目的，設(shè)計(jì)了一款準(zhǔn)被動(dòng)式變剛度踝關(guān)節(jié)助力外骨骼，利用足底壓力信號(hào)控制電磁離合器工作的方式，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能單元的能量存儲(chǔ)與釋放。首先，變剛度機(jī)構(gòu)是通過(guò)幾何結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)整助力彈簧的預(yù)緊力，使關(guān)節(jié)輸出剛度達(dá)到非線性特征，從而減少人體行走時(shí)的能量能耗。其次，建立了人體穿戴踝關(guān)節(jié)外骨骼仿真模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真模擬，驗(yàn)證了外骨骼機(jī)械結(jié)構(gòu)的合理性及良好的助力效果。最后，搭建了踝關(guān)節(jié)助力外骨骼功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)變剛度儲(chǔ)能機(jī)構(gòu)進(jìn)行了性能測(cè)試，結(jié)果顯示穿戴外骨骼助力后脛骨前肌和腓腸肌的肌電信號(hào)平均降低了12.29%和39.26%，說(shuō)明了穿戴外骨骼有效降低了肌肉疲勞，為可穿戴外骨骼的設(shè)計(jì)提供新的方法。

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03

外骨骼機(jī)器人高實(shí)時(shí)高能效控制器研究

引用格式:王澤正, 包穎煒, 李慧萊, 李馳, 孫茂文, 歐陽(yáng)小平. 外骨骼機(jī)器人高實(shí)時(shí)高能效控制器研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 209-220.

論文摘要：

外骨骼機(jī)器人在多個(gè)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中取得了成功，但實(shí)際部署中仍面臨著一系列與控制器硬件相關(guān)的挑戰(zhàn)，包括控制器體積過(guò)大，實(shí)時(shí)性不足，計(jì)算資源瓶頸等問題。為了解決這些問題，開發(fā)了一套用于外骨骼機(jī)器人的具有可擴(kuò)展性的硬件電路系統(tǒng)，同時(shí)兼顧了實(shí)時(shí)性和高算力特性。通過(guò)對(duì)控制器硬件信號(hào)流向進(jìn)行建模，優(yōu)化通信線路和流量分配，降低了系統(tǒng)通信延遲。根據(jù)外骨骼機(jī)器人在空間和時(shí)間上對(duì)算力需求的差異，設(shè)計(jì)了基于步態(tài)的實(shí)時(shí)任務(wù)調(diào)度算法，優(yōu)化了算力分配。通過(guò)并行流水和模塊折疊復(fù)用的方式來(lái)設(shè)計(jì)運(yùn)算加速器，有效減少了硬件資源的消耗，提高了系統(tǒng)算力。開展了控制器實(shí)時(shí)性測(cè)試、算力測(cè)試和助力外骨骼機(jī)器人負(fù)重行走試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，所設(shè)計(jì)的控制器主從通信延遲小于20μs，算力功耗比15 GOPS/W，相比于主流控制器架構(gòu)具有低延遲高算力特性。在平地，上下坡負(fù)重行走體現(xiàn)出良好的跟蹤效果，為外骨骼機(jī)器人更廣泛的應(yīng)用打下了硬件基礎(chǔ)。

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04

基于感官電刺激的昆蟲運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)控技術(shù)

引用格式: 余麗, 劉忠, 馬志云, 趙杰亮, 閆夢(mèng)丹. 基于感官電刺激的昆蟲運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)控技術(shù)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 221-232.

論文摘要：

目前的昆蟲運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)控尚且存在控制系統(tǒng)集成度低、輸出指令單一、刺激信號(hào)-軌跡匹配程度差等問題，從而影響昆蟲機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡控制效率。在探索昆蟲感官電刺激下昆蟲運(yùn)動(dòng)行為調(diào)控機(jī)制的基礎(chǔ)上，結(jié)合雙面絲網(wǎng)印刷技術(shù)，開發(fā)了一款高度集成的紅外通訊微型控制背包。背包質(zhì)量?jī)H為74 mg，且結(jié)構(gòu)具有一定柔性，具備變參數(shù)輸出功能。此外，為提升刺激信號(hào)與昆蟲運(yùn)動(dòng)軌跡的匹配性，進(jìn)一步探索了感官電刺激信號(hào)與昆蟲行為響應(yīng)以及空間運(yùn)動(dòng)決策之間的相關(guān)性，最終獲得了刺激信號(hào)-運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的映射關(guān)系，并實(shí)現(xiàn)了對(duì)昆蟲沿特定軌跡的運(yùn)動(dòng)控制?；诟泄匐姶碳さ睦ハx運(yùn)動(dòng)軌跡調(diào)控技術(shù)以及微型控制系統(tǒng)為提升昆蟲機(jī)器人控制準(zhǔn)確性提供了理論依據(jù)與技術(shù)支持。

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05

基于人體特征點(diǎn)提取和多維時(shí)間序列分類的駕駛行為識(shí)別方法

引用格式:李朝, 趙霞, 趙繼康, 付銳, 王暢. 基于人體特征點(diǎn)提取和多維時(shí)間序列分類的駕駛行為識(shí)別方法[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 233-246.

論文摘要：

駕駛?cè)诵袨樽R(shí)別對(duì)提高駕駛安全性和發(fā)展智能交通至關(guān)重要。由于不同駕駛環(huán)境和駕駛?cè)颂卣鞔嬖谳^大差異，基于端到端深度學(xué)習(xí)的駕駛行為識(shí)別模型很難在不同數(shù)據(jù)集下保持較高的泛化性能。針對(duì)上述問題，提出基于人體特征點(diǎn)提取和多維時(shí)間序列分類的駕駛?cè)诵袨樽R(shí)別方法。使用YOLOv8和人體姿態(tài)估計(jì)器蒸餾(Distillation for whole-body pose estimators,DWPose)跟蹤駕駛?cè)藚^(qū)域并提取駕駛?cè)巳梭w特征點(diǎn)矩陣。對(duì)特征點(diǎn)矩陣進(jìn)行歸一化、平滑和維度轉(zhuǎn)換。分別建立了基于Transformer、Informer、時(shí)間卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Temporal convolutional network,TCN)和注意力機(jī)制-長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Attention based long short-term memory,LSTM-Attention)的多維時(shí)間序列分類模型。結(jié)果表明，Informer模型的識(shí)別準(zhǔn)確性最高，TCN模型的運(yùn)行效率最高。當(dāng)使用Driver-100-Day進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，Informer在Driver-100-Day、Driver-100-Night和State Farm Driver 2數(shù)據(jù)集上的測(cè)試準(zhǔn)確度分別為90.82%、88.77%和80.67%，相比于CNN-Transformer提高了24.56%、72.02%和67.57%。所提方法相比于基于單幀圖像輸入的模型在泛化性能方面有較大的改善，且能夠達(dá)到較高的識(shí)別效率和準(zhǔn)確度。

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06

仿中醫(yī)按摩執(zhí)行器按摩力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

引用格式:曾達(dá)幸, 許林淼, 范朝輝, 劉亞, 侯雨雷, 盧文娟. 仿中醫(yī)按摩執(zhí)行器按摩力分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 247-260.

論文摘要：

重點(diǎn)關(guān)注按摩狀態(tài)驅(qū)動(dòng)、作用組件對(duì)末端按摩頭按摩力的影響，進(jìn)而對(duì)按摩執(zhí)行器參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了一種集成多按摩手法、安全有效的背部按摩執(zhí)行器?；谥嗅t(yī)按摩穴位和手法動(dòng)作，在確立背部按摩執(zhí)行器的設(shè)計(jì)指標(biāo)基礎(chǔ)上，首先，分析按摩手法的運(yùn)動(dòng)特征，構(gòu)建了多手法執(zhí)行模塊集成協(xié)同動(dòng)作的背部按摩執(zhí)行器，采用高還原性真人觸覺及接觸力閾值安全保護(hù)設(shè)計(jì)，分析指揉法和指振法凸輪機(jī)構(gòu)模塊的驅(qū)動(dòng)力，得到機(jī)構(gòu)工作所需要最大工作力矩和按摩執(zhí)行器推桿力。其次，基于人體皮膚摩擦理論，針對(duì)指揉法執(zhí)行中出現(xiàn)的按摩執(zhí)行器按摩頭與人體皮膚產(chǎn)生相對(duì)滑移的現(xiàn)象，通過(guò)求解粘附摩擦力、變形摩擦力以及橫向剛度等關(guān)鍵參數(shù)，優(yōu)化執(zhí)行機(jī)構(gòu)的揉動(dòng)半徑；針對(duì)指振法執(zhí)行中出現(xiàn)凸輪執(zhí)行機(jī)構(gòu)的凸輪與推桿之間出現(xiàn)相互分離現(xiàn)象，基于粒子群優(yōu)化算法，對(duì)推桿質(zhì)量、彈簧預(yù)壓縮量等結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以確保凸輪臨界角速度高于最大工作角速度。最后，搭建按摩執(zhí)行器的樣機(jī)實(shí)物，通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)按摩裝置的按摩力、人機(jī)按摩效果對(duì)比進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的按摩執(zhí)行器在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上更具緊湊性和簡(jiǎn)易性，在±1 N的力度誤差波動(dòng)范圍，驗(yàn)證了按摩力度、按摩手法和頻率過(guò)程均符合背部按摩執(zhí)行器技術(shù)指標(biāo)。

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07

基于肌肉協(xié)同特征的康復(fù)機(jī)器人輔助踏步運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)角度估計(jì)

引用格式: 馮永飛, 楊圣業(yè), 王琦, 盧衍正, 田俊杰, 王洪波, 牛建業(yè). 基于肌肉協(xié)同特征的康復(fù)機(jī)器人輔助踏步運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)角度估計(jì)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 261-274.

論文摘要：

針對(duì)腦卒中患者肢體與康復(fù)機(jī)器人交互協(xié)同性差和動(dòng)作不自然的問題，提出一種基于肌肉協(xié)同特征(Temporal-spatial muscle synergy feature, TSMS)、雙向長(zhǎng)短期記憶網(wǎng)絡(luò)(Bi-directional long short-term memory, BiLSTM)與注意力機(jī)制(Attention)四肢多關(guān)節(jié)角度連續(xù)估計(jì)算法(TSMS-BiLSTM-Attention)。設(shè)計(jì)制作床上四肢協(xié)同康復(fù)機(jī)器人，并建立康復(fù)機(jī)器人上肢和下肢模塊的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。采集人體踏步運(yùn)動(dòng)的上肢和下肢表明肌電信號(hào)(Surface electromyography,s EMG)和慣性傳感器信號(hào)(Inertial measuring unit,IMU)。利用非負(fù)矩陣分解提取人體踏步運(yùn)動(dòng)中的靜態(tài)肌肉協(xié)同特征，并確定4種肌肉協(xié)同模式。提出肌肉協(xié)同特征的TSMS-BiLSTM-Attention關(guān)節(jié)角度估計(jì)模型，用以估計(jì)運(yùn)動(dòng)中的四肢關(guān)節(jié)角度，并采用帶異常值的非負(fù)矩陣分解算法對(duì)s EMG信號(hào)實(shí)時(shí)提取肌肉協(xié)同特征。通過(guò)IMU測(cè)量的歐拉角與四肢運(yùn)動(dòng)學(xué)模型計(jì)算關(guān)節(jié)角度的測(cè)量值?；赥SMS-BiLSTM-Attention模型提取s EMG信號(hào)的時(shí)空信息，建立四肢s EMG信號(hào)與關(guān)節(jié)角度序列間的映射關(guān)系。招募了7名受試者開展踏步運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)，并整理、分析了相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)果表明基于肌肉協(xié)同特征的關(guān)節(jié)角度估計(jì)表現(xiàn)顯著優(yōu)于時(shí)域、頻域和時(shí)頻特征，關(guān)節(jié)角度估計(jì)的決定系數(shù)分別為0.92、0.88、0.86和0.91。對(duì)提出的踏步運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)角度估計(jì)模型在床上四肢康復(fù)機(jī)器人上進(jìn)行驗(yàn)證，在主動(dòng)康復(fù)訓(xùn)練中，髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)在線回歸的均方根誤差分別為3.56°、2.11°、2.36°和3.39°，相對(duì)分析誤差分別為5.63°、10.13°、7.92°和7.24°。

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人車碰撞中人體安全/危險(xiǎn)落地機(jī)制預(yù)測(cè)

引用格式:鄒鐵方, 羅鵬琛, 陳得著, 王丹琦, 馮浩. 人車碰撞中人體安全/危險(xiǎn)落地機(jī)制預(yù)測(cè)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 275-284.

論文摘要：

考慮到人地碰撞損傷難以預(yù)測(cè)，為此提出一種人車碰撞中的人體安全/危險(xiǎn)落地機(jī)制預(yù)測(cè)方法。首先選擇140例再現(xiàn)好的真實(shí)人車碰撞案例并提取碰撞前、中、后的相關(guān)數(shù)據(jù)，通過(guò)顯著性及共線性檢驗(yàn)方法獲得140組含12個(gè)參數(shù)的數(shù)據(jù)。然后通過(guò)逐步回歸的方法建立10組含碰撞前、中、后3個(gè)預(yù)測(cè)模型的模型集，并從中挑選1組最優(yōu)模型作為人體安全/危險(xiǎn)落地機(jī)制的預(yù)測(cè)模型。結(jié)果顯示，10組模型均能很好地預(yù)測(cè)人體安全/危險(xiǎn)落地機(jī)制，表明人體安全/危險(xiǎn)落地機(jī)制可預(yù)測(cè)；所選最優(yōu)模型組中3個(gè)模型的平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別為76.5%、82.7%、87.8%，所需預(yù)測(cè)參數(shù)分別為1、3和4個(gè)。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，所得最優(yōu)模型組中3個(gè)模型亦能很好地應(yīng)用于MADYMO仿真中，且行人身高與發(fā)動(dòng)機(jī)罩高度之比(身罩比)會(huì)影響模型預(yù)測(cè)效果。進(jìn)而提出考慮身罩比的改進(jìn)模型，發(fā)現(xiàn)改進(jìn)模型能明顯提高碰撞中模型的平均預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率。

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面向人-機(jī)-環(huán)境共融的具身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)拆解系統(tǒng)

引用格式: 呂健豪, 司佳輝, 鮑勁松. 面向人-機(jī)-環(huán)境共融的具身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)拆解系統(tǒng)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 285-296.

論文摘要：

在人機(jī)協(xié)作拆解中，制造系統(tǒng)依賴預(yù)設(shè)算法的固定感知-認(rèn)知模式，難以適配操作員基于經(jīng)驗(yàn)的靈活需求與動(dòng)態(tài)環(huán)境變化，易導(dǎo)致機(jī)器人的路徑規(guī)劃失效和決策停滯。對(duì)此，提出面人-機(jī)-環(huán)境共融的具身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)拆解系統(tǒng)。系統(tǒng)基于具身智能理論，以“感知-認(rèn)知-執(zhí)行”機(jī)制為核心，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)強(qiáng)化具身代理的環(huán)境感知與認(rèn)知推理能力。設(shè)計(jì)一種具身增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)協(xié)同拆解策略；提出基于上下文強(qiáng)化機(jī)制的局部圖像注意力模型，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)圖像描述生成；設(shè)計(jì)基于大語(yǔ)言模型的調(diào)優(yōu)和推理機(jī)制進(jìn)行自優(yōu)化的認(rèn)知推理方法；設(shè)計(jì)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的人-機(jī)-環(huán)境數(shù)據(jù)交互方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的操控執(zhí)行。構(gòu)建三種相似性指標(biāo)用于進(jìn)行具身感知-認(rèn)知的性能評(píng)估。定量和定性的實(shí)驗(yàn)可證明系統(tǒng)的可行性和有效性。

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10

XR驅(qū)動(dòng)的煤礦輔助作業(yè)人機(jī)混合決策：架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

引用格式:劉曙光, 謝嘉成, 王學(xué)文, 秦浪. XR驅(qū)動(dòng)的煤礦輔助作業(yè)人機(jī)混合決策：架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2025, 61(15): 297-313.

論文摘要：

隨著需求牽引與政策推動(dòng)，煤礦機(jī)器人的研發(fā)與應(yīng)用空前活躍，當(dāng)前已可在少數(shù)場(chǎng)景中自主作業(yè)，代替煤礦操作員完成部分工作。但在煤礦輔助作業(yè)中，環(huán)境與任務(wù)的開放性、復(fù)雜性決定了煤礦操作員的深度參與仍然必不可少。在人機(jī)共融協(xié)作的背景下，亟需探索如何充分利用人的智能與機(jī)器智能優(yōu)化煤礦輔助作業(yè)的決策過(guò)程。針對(duì)這一問題，首先回顧了相關(guān)概念與工作，將煤礦輔助作業(yè)中的決策歸結(jié)為人機(jī)混合決策問題。然后基于人在回路的人機(jī)混合增強(qiáng)智能范式提出了XR驅(qū)動(dòng)的煤礦輔助作業(yè)人機(jī)混合決策架構(gòu)，介紹該架構(gòu)的組成部分與協(xié)同運(yùn)行關(guān)系。之后對(duì)實(shí)現(xiàn)該架構(gòu)所需的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)及相應(yīng)解決方案進(jìn)行探討。最后以采煤機(jī)滾筒停機(jī)維護(hù)為案例構(gòu)建模擬場(chǎng)景，在所提出的架構(gòu)下進(jìn)行應(yīng)用測(cè)試，以證實(shí)其可行性與有效性。結(jié)果表明，所提出的架構(gòu)將人機(jī)混合決策過(guò)程擴(kuò)展到虛擬空間，能夠通過(guò)異構(gòu)信息流的巧妙轉(zhuǎn)化與傳遞，在滿足作業(yè)任務(wù)要求的前提下將煤礦操作員與輔助作業(yè)機(jī)器人的決策合理整合，形成虛實(shí)融合、人機(jī)共智的決策模式，具有在煤礦輔助作業(yè)以及其他領(lǐng)域類似場(chǎng)景中的應(yīng)用潛力。

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責(zé)任編輯：杜蔚杰

責(zé)任校對(duì)：張 強(qiáng)

審 核：張 彤

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JME學(xué)院是由《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》編輯部2018年創(chuàng)建，以關(guān)注、陪伴青年學(xué)者成長(zhǎng)為宗旨，努力探索學(xué)術(shù)傳播服務(wù)新模式。首任院長(zhǎng)是中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)監(jiān)事會(huì)監(jiān)事長(zhǎng)、《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》中英文兩刊主編宋天虎。

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