时间：2023-03-22 17:35:00
绪论：在寻找写作灵感吗？爱发表网为您精选了8篇机械优化设计论文，愿这些内容能够启迪您的思维，激发您的创作热情，欢迎您的阅读与分享！
整体设计思想把城市当成一个整体景观，全面地考虑与建筑相关的各个元素——外部环境、建筑形态、附属设备等协调关系。城市中的建筑不只是其本身构筑的主体，也是城市单元的一部分，建筑设计应注重城市空间的整体效果，考虑对所处地块有影响的城市景观要素，如面宽、轮廓线、相邻建筑造型等，把反复的对照贯穿与建筑设计的始终，不可因过分强调自我表现而与景观相冲突，保持建筑与景观的和谐统一。
建筑是环境的一部分,只有与整体环境形成一定的生态联系，才有一种共生关系。所以,建筑必须与外部空间相联系,形成不同层次的空间环境。因此,建筑与环境之间的结合、呼应,不仅完善了建筑空间,也使空间得以延伸、扩展。建筑空间与景观空间的结合,可以大大丰富建筑本身的空间。苏州拙政园中的“借景”手法非常经典地阐释了这种设计理念。例如：在市中心复杂地段建筑，由于道路不规则等问题对建筑产生了很大的制约，如果设计者采用圆形建筑风格，映衬周边的弧形道路，再用环形的步行道穿插于之中，能够形成建筑与环境的和谐统一。
二、和谐在于共同元素的发掘
在建筑设计中我们经常见到：一是关注建筑本身，后去考虑环境的美化；另一种是在环境中去添加建筑，建筑难以融入环境之中。这两种设计环境都难以实现空间的和谐统一。事实上，我们不能单纯考虑建筑，也不能单纯关注景观，单方面追求和谐统一的想法都是不现实的。如何在具体是设计过程中贯穿景观与建筑和谐统一的理念呢？这就需要我们去寻找建筑与景观的最佳结合点，不能在设计中顾此失彼。只有去寻求景观与建筑的结合点，从这个地方切入，才能够寻找到建筑的灵魂。
为此，我们在进行单体建筑设计的同时，预先提出整体环境框架与要求，在分析基址环境、周边环境、视域环境等因素的基础上，提出系统的设计指导原则。尊重建筑周围景观对建筑风格、色调、设施的各种要求，在这些要素中去寻找景观与建筑相通的地方，抓住这个点来贯穿建筑与景观，让建筑风格与环境风格相符、相称，让建筑成为景观生态中的一个部分，融入到环境当中去。对于一些后加入进去的建筑，或者是一些改造的建筑，也要在环境允许的条件下进行调整，保持建筑与环境之间的整体性。
三、用建筑思想反照景观设计
建筑不仅仅从属于景观，也是景观的一部分，当建筑融入景观后，其本身也是对景观的一种改造。所以，建筑的设计不仅要考虑与景观的融合，也要考虑对景观的创造性塑造。让景观衬托建筑、用建筑改造景观。
在实践中，我们要以建筑的理念对待景观设计，用建筑分析、决策、设计的方法来造就景观美学。具体设计中，我们可以建筑技术拓展景观空间，用技术来表现科学与艺术的结合。同时，用建筑思维解决景观问题。城市中的建筑与景观往往要面对许多制约，包括场地的限制、经济的限制，在设计过程中，采用建筑的思维方式可以解决城市景观设计中的很多制约因素，比如，在城市建筑密集地区，以彩色喷涂地面的方式划分出进出的道路以及人行与车行的路线，既满足道路的功能要求，也为高层居民提供了视觉对象。
四、关注自然与文化双重生态
建筑设计的过程中，还要考虑自然生态关系的和谐统一。例如：建筑要与周围的公园、山体、水面、沙滩、树林等自然资源形成一种良好的生态呼应，通过园林的手法就爱你过家建筑与其周围环境联系起来，减少建筑的体量感。同时，在色彩、高低等方面增强亲和力，另外在内部绿化过程中，都要考虑植物的季节性、本土性与色彩性等，实现与周围环境的良好过渡。日本大阪湾淡路岛东北岸的“淡路梦舞台”，在其规划中明确提出“要建设，先种树”，提前5年开始24万株树苗的栽种，它从整治建筑环境着手，治愈山体开采留存的伤痕，恢复和彻底改善山体的生态环境。这种建筑设计思想在建筑设计着眼点和目标上的转变暗示着建筑设计与绿化景观关系质的跳跃，是生态建筑思想的高度贯彻。19世纪80年代在欧洲发展的屋顶绿化计划，也建立在相同的理念之下。
模型采用笛卡尔网格系统，I方向两端网格步长为300m，中间网格步长为100m，J方向网格步长为200m，K方向网格步长为5m，总共31层，模型总网格数为19×7×31=4123。在气藏底部采用Fetchovich水体模拟底水，中部布置大斜度井，井斜角为80°。同时，为判断模型压降参数设置是否正确，对研究区大斜度井进行实际测压资料历史拟合，即选择该井处于稳定生产期的测压数据进行拟合，其误差小于5%，吻合效果较好。
2单参数对大斜度井开发效果的影响
为准确分析各参数对底水气藏水淹规律及采出程度的影响，利用数值模拟多段井模型研究了井筒内的能量损失。井筒直径为89mm，示踪剂质量浓度为1.0mg/L，采用示踪剂追踪精确模拟底水见水时间。多段井模型将井筒劈分为多个段，每段拓扑结构保持原井轨迹，且拥有独立的压力、流体密度和相速度。考虑井筒内的能量损失，包括摩擦阻力损失、加速度损失及水静力学压降损失，进而可对井筒内的流体进行详细描述。采用上述模型以某一测试产量模拟生产，通过对每个射孔网格流压和流量的统计，可定量描述大斜度井不同长度的压力变化和气量差异。对于底水气藏而言，若开发过程中底水逐渐上升，气井避水高度和产量设计不合理，将导致过早见水，进而降低无水采出程度。目前，气藏底水锥进研究中，见水时间通常采用经验公式法或利用含水率来间接确定，这样会存在一定的误差。因此，笔者提出利用示踪剂追踪的方法来确定气井产出底水的准确时间，在底水中加入不同的示踪剂，通过模拟判断气井产水的来源，进而确定底水锥进的时间，为相关指标的优化提供依据。
2.1大斜度井的斜井段长度
为对比不同斜井段长度对底水气藏水淹规律的影响，模拟研究大斜度井的斜井段长度分别为200m，400m，600m和800m，斜井趾端避水高度为60m，生产制度为稳定生产（55万m3/d）情况下的水淹规律及开发效果。数值模拟结果表明：随着斜井井段长度的增加，见水时间和无水采出程度均随之增加，但增幅逐渐减小，预测期末采出程度也逐渐增大；当长度超过600m后，增长速度放缓，受长度增加的影响变弱。
2.2斜井段趾端避水高度
为对比不同斜井段避水高度对底水气藏水淹规律的影响，模拟研究大斜度井的趾端避水高度分别为30m，40m，50m和60m，斜井段长度为600m，生产制度为稳定生产（55万m3/d）情况下的水淹规律及开发效果。数值模拟结果表明：随着斜井井段避水高度的增加，见水时间和无水采出程度均随之增加，且增幅逐渐变大，预测期末采出程度逐渐减小；当斜井段避水高度超过40m时，对采出程度的影响变大。
3复合参数对大斜度井开发效果影响
单参数对大斜度井开发效果的影响在油气田开发方案优化中常常被采用，该方法通过固定部分参数，逐个对其余参数进行优化，当参数之间没有交互作用时，得出的结论是正确的。在实际生产中，不同参数的取值互相影响，即开发指标之间存在交互作用。因此，采用多次单参数优化往往只能得到局部最优结果。复合参数对大斜度井开发效果的影响是指斜井段长度、斜井段趾端避水高度和合理产量的综合作用。若对各参数不同水平组合进行模拟，全面实验则需要模拟较多方案，虽然能得到全局最优结果，但在网格精细划分或者参数较多的情况下，将会耗费大量的机时，甚至难以实现。为此提出将正交设计极差分析法与数值模拟方案相结合，根据正交准则挑选典型代表点，并设计正交表，以提高方案的合理性，减少工作量。
4结论
（1）多段井描述技术将井筒劈分为多个段，每段拓扑结构保持原井轨迹，可实现对大斜度井井筒损失的模拟，以及准确表征斜井段上的压力变化和气量差异。靠近井筒趾端，压力相对较高，靠近跟端压降变化较大。
（2）在实际生产中，各参数对开发效果的影响往往是综合作用的结果，极差分析法可作为优化开发指标的辅助手段，实现开发指标的全局最优。
在当今世界，计算机技术的飞速发展，导致广告设计越来越机械化、模式化；而在激烈的市场经济竞争下，广告的持续发展必然要求设计家要突破各种常规，在注意信息传达功能的同时，更应该注重独特风格的发展，用富有创意的设计去打动消费者的心。于是人们发现，将情感融和到设计之中，广告会获得更易打动人心的力量。其原因在于，中国是一个具有五千年历史的文化古国，每个人在其成长的过程中都受到过传统文化的熏陶和感染，人们在传统文化中受到最为单纯、最为原始的温暖人性，因此，在广告设计作品中，如果能巧妙地运用中国传统文化，会使人倍感亲切、温馨、信任，从而在心灵上引起共鸣，激发消费者消费的欲望。现代广告设计只有真正引起消费者的情感共鸣，才能实现最佳的广告效果。
如何将中国传统文化融合到现代广告设计中去?其作用又有哪些?这自然不是简单的问题，对于传统文化我们是照搬照抄，还是将传统文化放置一边，不予理睬?笔者认为好的设计应着重于人与人、人与空间和人与自然的融合上，是对传统文化的再创造。而这种再创造是在理解的基础上，用现代的审美观对传统的一些元素加以改造、提炼和运用，使其更富有时代的特征：或者把传统的造型方法与表现形式运用到现代设计中来表达设计的理念，体现民族个性，这是对传统文化再创造的理解。中国传统文化对现代广告设计的融合作用究竟体现在哪些方面呢?
一、中国传统文化对现代广告设计构图的作用
所谓传统文化，是指中国几千年文化发展史中在特定的自然环境、经济形式、政治结构、意识形态的作用下形成、积累和流传下来，并且至今仍在影响着当今文化的“活”的中国古代文化，这些文化又包含了国画、剪纸、建筑、皮影、雕刻等等。而传统文化又与广告有着不解之缘，两者在构图上的融和关键在于广告设计中传统美学的审美性。之前我们说过；中国是一个历史文化古国，每个人都受到传统文化的熏陶，这必然导致我们对“美”的崇拜和追求观念不同与西方国家，形成具有中国传统文化独色的广告作品。因此，中国传统美学的审美性影响着广告设计作品中“美”的体现，也影响着中国传统文化的继承和发展。
我们都知道广告设计是属于“瞬间艺术”，人们驻足于前的时间短，视线集中的程度有限，要想在这苛刻的条件下给人留有印象，广告的设计就不能太过于复杂，必须要做到一目了然，简洁明确，使人在一瞬之间、一定距离外能看清楚所要宣传的事物。为了达到这个目的，广告的设计总是尽可能采取假定的设计手法，将不同时间、空间发生的活动组合在一起，并经常运用象征手法，启发人们的联想来吸引消费者。所以在广告构图中，要突出重点，就要删去次要的细节，甚至是背景。这种设计手法与国画处理构图的手法一致。例如：在国画构图中要求“以一当十”、“以少胜多”的精炼：或者“计白当黑”、“无画处皆成妙境”的简洁；“疏可走马，密不透风”的对比关系等。由此我们可以看出，在现代广告设计中，构图要概括集中，突出醒目地表达所要宣传的事物，表现物与物之间的内在联系，赋予画面更广泛的含义并使人们在有限的画面中能联想到更广阔的生活，感受到新的意义。我们只有将中国传统文化的精髓融合到现代广告设计的理念中去，才能使民族传统文化与现代广告设计真正的融为一体，从而增强广告设计的传播效率与文化艺术意蕴。另外，传统文化与现代广告设计的融和还可以有效增加广告的附加价值，传统文化由于自身特有的功能性和特殊的文化底蕴，本身就具有“满足人们精神需要”的价值，这种价值可以在现代广告设计中起到增强附加价值的作用。
二、中国传统文化对现代广告设计构思的作用
在现代广告设计中，我们在跟随西方现代设计潮流的时候，已不满足于纯粹跟随，开始对传统文化进行探索，并应用传统文化的构思方法来结合现代广告设计，体现中国传统文化的意蕴及自身的文化内涵，把握并创造出具有东方特色的广告设计作品。广告设计是一种“瞬间艺术”，好的广告作品不仅要让人“一目了然”，还要“一见倾心”，为它所吸引，留下深刻的印象。这就要求在广告设计中要具备精湛的构思。清代一位学者曾说过，一幅画“与其令人爱，不如使人思”，好的广告设计作品也是如此。它要让人联想、引起人的美好愿望、表现意境，就要有手段，我们称之为“意匠”。如：“独具匠心”指的就是别人没有想到的你想到了，这也是在广告设计中我们经常提到的一种构思方法。“意匠”具体说来就是选材(先取最精粹部分)、剪裁(去污存清)、夸张(强调形象的特征)、经营位置(构图)、表现(选项用恰当的技法)等，而这一切，恰恰是我国广告设计者最为常用的构思手段。
三、中国传统文化对现代广告设计内容的作用
传统文化是现代广告传播成功的基础，而现代广告传播则是因为传统文化的滋养才具备了强劲的精神发散效力，“越是民族的就越是世界的”这句话在一定程度上对于广告同样适用。中国传统文化源远流长，怎样在广告设计的内容上体现传统文化的精髓??这是我们值得深思的问题。笔者认为应从一个“意”字开始，广告设计内容上的意字，指的是传统文化所要表达的意蕴，也是意味深长之意。“意”是传统文化在内容设计上的关键，也适合于现代广告设计所提出的吉祥如意的设计理念，更符合中国人在广告设计上的要求。例如：脑白金的广告语“今年孝敬咱爸妈，送礼还送脑白金”、“今年过节不收礼，收礼还收脑白金”，就是利用了中国传统文化对“意”的理解。中国自古就有尊老爱幼、孝敬父母的传统美德，“脑白金”定位成一种礼品，并且是一种能带给人健康的礼品，极力宣传送礼更要送健康的“意”念。这个观念定位恰好顺应了中国的传统，为广大消费者所能接受，从而有效地树立了企业、品牌形象。整个广告根植于中华民族传统文化，是有强烈的现代气息，既符合了广告主的要求，又达到了准确的广告定位。
我国的传统文化具有很强的东方文化的表现风格，它能完美地将我国的传统文化融合到现代广告设计理念中去。这不仅仅是对中华艺术精神的继承，更是对中国传统文化走向世界的一种推广和弘扬。我们只有不断加深对传统文化的理解，将传统文化融和到现代广告设计中，才能对传统文化加以改造、提炼和运用，更好地利用它创造新的富有中国特色的现代广告设计理念。
【关键词】压力容器 应力分析 优化分析 有限元ANSYS
【Abstract】Taking engineering actual demand into account， ANSYS finite element software studies and analyzes stress and deformation of pressure vessels .Then to follow the design principles as a precondition， finite element model of pressure vessels to optimize the design and analysis， which aims at minimizing the quality after meeting the strength and stiffness requirements. At the same time， optimization analysis module of ANSYS carries on the optimization with pressure and wall thickness， provide theoretical basis with optimization.
【Key words】pressure vessels；Stress Analysis；optimization；ANSYS finite element software
1 引言
随着科技的发展，压力容器在众多工业部门中有着广泛的应用，对压力容器的要求也越来越高。以往的压力容器及其部件的设计基本采用常规设计法，以弹性失效准则为基础，材料的许用应力采用较大的安全系数来保障。由于设计偏于保守使得设计的容器比较笨重，且成本较高，材料有所浪费。
随着工化设计朝着大型化，复杂化，高参数化方向发展，压力容器部件越来越多的利用有限元压力分析来完成。新的分析设计主要以塑性失效和弹塑性失效准则为基础，比较详细的计算了容器和承压部件的应力，并利用大型有限元软件ANSYS对压力容器的壁厚及承压进行优化设计分析。
2 典型压力容器有限元分析
2.1 基于ANSYS的压力容器有限元分析
在分析过程中压力容器将空间问题平面化，有限元模型选取PLANE42单元。在ANSYS软件中采用直接建模的方法，省略压力容器的其他结构（如群座、螺栓等），并设定轴对称选项，建立1/4轴对称分析模型如图2-2示。端部封头对称面各节点约束水平向位移，筒体下端各节点约束轴向位移，内壁施加均布荷载P=10Mpa.
2.1.1 对有限元模型施加边界条件并求解
有限元分析的目的是了解模型对外部施加荷载的响应。在本例中，模型受到的荷载有内压，外压，重力以及支撑力，考虑到重力，外压和支撑力相对内压的影响而言作用甚小，可以忽略。因此只对内壁施加线荷载P=10Mpa，接下来进入求解处理器进行求解，获得位移云图及应力云图，如图2-1，2-2示。
图 2-1 工作压力为10 Mpa时的位移云图 图 2-2 工作压力为10 Mpa时的应力云图
图中位移及应力大小分别采用不同的颜色表示，其中红色表示位移及应力的最大值，蓝色是最小值。从图中可以看出位移的最大值出现在筒体下端，为1.2mm；应力的最大值出现在筒体与端部过渡的弧形处，最大值为95.7Mpa。
2.1.2 结果分析
图2-1，2-2反映了筒壁受内压作用后结构模型的位移、应力情况，从图中可以看出：（1）由于受内压作用，筒壁向外膨胀，模型为轴对称图形，所受的压力是均布的，膨胀亦是均匀的，与预期相符；（2）筒壁沿轴向应力分布是不均匀的，应力最大出现在筒体与端部进气管的过渡处。这是因为模型进气管处尺寸发生了较大变化，导致应力集中，所以数值模拟结果是合理的；（3）通过对筒壁进行强度校核表明，当材料采用Q235-A时，压力容器的最大应力值远小于其许用应力（235Mpa），表明筒体的承压空间还是有一定的提高潜势的。
2.2 压力容器承压能力的分析
上述结果中表明该压力容器的承压空间还可以提升，故此对该模型分别施加线荷载P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其结果变化。图2-3，2-4是模型的最大位移、最大应力值随压力的变化曲线图。
从图中可以看出：（1）位移和应力均随着压力的增加而变大，变化速率由大变小最后趋于平缓；（2）分析位移及应力的变化曲线表明，自开始加载到施加荷载15Mpa，其变化为线性变化，15Mpa到加载至25Mpa时，变化增长缓慢甚至趋于平缓。这与钢材的力学性能有关：钢材从加载到拉断，有四个阶段，即弹性阶段、屈服阶段、强化阶段与破坏阶段。从加载到某一定值时曲线呈直线变化是因为钢材处于弹性阶段，再继续加载曲线出现平缓是因为钢材进入屈服阶段，产生塑性变形。所以也可以证明该有限元分析的可靠性；（3）从图中易找出曲线从直线段过渡到平缓段的临界点，即压力15Mpa，此时该模型的最大位移为2.03mm，最大应力值为168Mpa（小于许用应力235Mpa）。
图2-3 不同承压下最大位移值的变化曲线 图2-4 最大应力随承压的变化曲线
2.3 压力容器厚度的优化设计
为了充分提高压力容器的整体性能和材料的有效利用率，基于“塑性失效”和“弹塑性失效”准则，以板壳理论，弹性与塑性理论及有限元方法，根据具体工况，对压力容器各部位进行详细的应力计算及分析，在不降低设备安全性的前提下选取相对较低的安全系数，从而降低结构的厚度，使材料得到有效利用。
上述承压15Mpa时该压力容器的最大位移值为2mm，最大应力值168Mpa小于其许用应力235Mpa，故可以考虑变化筒壁厚度，使材料发挥最大强度。所以在临界承压15Mpa的作用下试将原筒壁厚度25mm变为20mm，21mm，22mm，30mm进行试算。下图2-5、2-6为最大位移值、最大应力值随筒壁厚度的变化曲线。
图2-5 最大位移值随筒壁厚度的变化曲线 图2-6 最大应力值随筒壁厚度的变化曲线
由图可以看出：（1）在临界承压15Mpa下，容器的最大位移值、最大应力值均随着筒壁厚度的增加而减小；（2）从最大应力值与筒体壁厚的变化曲线中可以看出，当壁厚为21mm时其最大应力值为231Mpa小于其许用应力。故此可以认为在临界承压下，该压力容器的最优筒体壁厚为21mm，在此条件材料能发挥较高的强度。
3结语
本文采用ANSYSY软件对压力容器的位移、应力进行了较为详细的分析，同时对压力容器在满足给定刚度和强度条件下进行厚度最小的优化设计。研究计算结果可以发现：
（1）压力容器在受内压时，筒体中间位置变形最大，最大应力则发生在端部进气管与筒体的过渡处；
（2）在该给定容器的条件中，可以得到此容器的最大临界承压为15Mpa，此时的刚度、强度及应力均满足要求；
（3）为了最大发挥材料的用途，在满足给定强度和刚度条件下对该容器进行优化设计，可以得到其最优筒壁厚度为21mm。
同时也可以看出ANSYSY软件对分析压力容器的可靠性，有效性。很大程度上减少了设计成本和设计周期，也为更复杂的结构设计提供了新的方法。
参考文献：
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（1）过滤元件。过滤原件是净化系统的最后屏障，是液压系统污染的关键步骤，是主要的元器件，对环境起到一个保障作用，具有一定的实际应用价值。
（2）液压净化系统简化模型。建立简化的模型必须进行推导，利用数学公式建立逻辑模型，通过逻辑模型建立实际应用模型，模型的建立需要一个严谨的推导过程，液压净化系统简化。
2液压净化系统的优化设计
本论文对液压净化系统进行优化选择设计主要从元件级参数设置及系统布局两方面进行阐述，对液压系统进行优化及升级提高环境保护，对机械设备的使用寿命等有一定的延长，提高其工作效率有一定使用价值。
2.1元件级的优化设计
基于以上液压污染动态平衡方程，对过滤元件过滤器进行优化选择，主要从确定过滤时间、过滤比两个方面进行优化选择。
（1）临界时间的确定。临界时间是针对一定污染度油液的独立过滤系统而言，当过滤时间达到，过滤系统的固体颗粒浓度不会随时间的改变而改变，这个时间就称为临界时间。临界时间对元件级的优化设计有一定的帮助，是对整个元件的优化设计有一定指导作用，对元件级的优化设计能顺利进行提供有力保障。
（2）基于Matlab的过滤比的优化选择。通过Matlab的过滤比进行优化选择，对液压系统产生的标准污染油液进行过滤比较。
2.2系统级优化与设计
根据液压系统目标污染度的要求，适当选择过滤管路及过滤器过滤精度，用于滤除系统自身形成的污染和外部侵入的污染，使油液的污染度控制在组件能耐受的污染限度之内。
（1）液压净化系统的布局。液压净化系统在实际使用过程中必须进行合理化地布局，布局采用多种方式，有时候多种方式进行合理布局，可提高过滤效果，增大系统的纳污量，减少清洗次数及延长液压系统的寿命。
（2）不同组合方式的过滤效果。通过实验进行验证，应用一种过滤方式过滤效果一般，通过多种形式与方式进行过滤能产生不同的效果，在工业实际生产过程中，经常选用多种组合方式进行过滤，其过滤效果是非常理想的，应用各种过滤方式的优势，达到一定效果。
3基于HyPneu的仿真验证
关键词：结构优化设计技术；矿山机械设计；初步
矿山机械中的一些大型设备大部分是结构件。据不完全统计，装载机、牙轮钻机、挖掘机等设备，其结构件占60%以上。对这些以结构件为主的设备，采用传统的设计方法，其结果是很不理想的。庆幸的是，我们这行业的研究设计人员开始关注这个问题，做了一些有益的工作。如对一些机构进行了优化设计，用有限原方法进行结构的静动强度分析等等。但到目前为止，仍没见到有关矿山机械结构优化的文献。
一、矿山机械结构优化的可行性和必要性
1.尽管有这样那样的困难，对矿山机械进行结构优化设计还是有可能的。结构优化设计应用有三个前提条件：一是电子计算机的发展和普及，二是有限元理论和方法的发展；三是高效的结构优化方法。从目前情况着，电子计算机特别是微型电子计算机在科研、设计部门已日益普及，作为结构优化基础之一的有限元理论和方法是比较成熟的，而且有了不少通用的有限元分析程序；结构优化设计理论，经过二十多年的发展也日臻成熟，无论是优化准则法、数学规划法还是两者的统一方法，其解题效率都比较高。结构优化技术目前已广泛地应用于航空部门、土建部门等。在矿山机械领域由于广大科技工作者的努力，在有限元分析方面已取得了较大的进展。对牙轮钻机、装载机、挖掘机等主要矿山机械的有限元分析已全面展开。这就为结构优化提供了直接的便利条件。给矿山机械的优化提供了可靠的保证。
2.矿机中的一些主要设备如牙轮钻机、装载机、挖掘机等都具有一个比较明显的特点，那就是：十分笨重，运输不便。对这些设备采用传统方法进行设计时，则往往难以找到一个理想的方案。其应力分布和结构往往是不太合理。而采用结构优化设计方法，可以在对原始设计方案进行有限元分析的基础上，采用自动寻优方法，就可以找到一个较理想的方案。使结构的应力分布更加均匀，结构更加合理。而且，从现在的文献来看，设备的自重可以减轻25%左右，其经济效益是十分显著的。因此，有必要对矿机结构进行优化设计。
二、 矿山机械设计中结构优化设计技术
1. 最大可靠性结构优化设计。"可靠性"的概念对我们并不陌生，但将可靠性概率引入超静定结构的设计中，却鲜为人知。而在工程设计中却经常希望在给定材料体积下尽可能合理地分布结构材料，使结构的可靠性尽可能地大，或是研究一个用料省、可靠性大的折衷方案。因此在矿山机械结构件设计中，引入可靠性概率（结构在规定的条件下，在规定的时间内完成预定功能的概率）这一衡量结构可靠性的指标，采用一次二阶矩概率设计理论，以传统的安全系数为目标进行优化，就可以提高结构的安全度，而且使结构更为合理。文献"1"以结构杆件截面积为设计变量进行了可靠性最大的结构优化设计表明这个方法是可行的。
2. 结构模糊优化设计。从目前的有限元程序，对于所给定的计算模型，其结果是比较精确的。但是对实际结构而言，这个结果是不大可信的。这是与模型、载荷，约束的简化等多方面因素有关。本来，这些因素在实际工作或结构中是不大容易确定的，也就是说具有一定的"模糊性"。另外，对于有限元分析的计算工况的确定也是比较困难的。目前，我们在有限元分析中，一般是选择典型工况进行，至于这典型工况的"典型性"则是由分析者自己确定。此外，在结构优化设计中，还有许多东西是模糊的，目标函数、约束条件、约束条件的右端项等等均具有一定的模糊性。最后，为了真正地得到满足所有可能约束的结构最佳组成，我们要对最后的尺寸和形状作出决策。因为，对每种不同的工况，计算得到的"最优值"是各不相同的，那么，在综合所有计算工况时，究竟如何确定其最终尺寸呢？显然，按满应力法则不大可行，因为满应力法是要求每一单元至少在一种工况下达到满应力状态，这样综合的结构就不可能是最轻结构。因此，最后尺寸和形状的决定也要借助模糊理论来解决。从模糊到精确，再从精确到模糊，这是符合历史发展规律。
3.研制、推广、应用CAD软件。根据现代结构设计的需要，借助计算机辅助设计，不但能对结构的初始方案和改进方案快速地进行结构分析和强度校核。而且还能开展以最轻重量的单目标优化设计和以机器工作性能、节省钢材和结构强度三大要素为出发点的多目标优化设计。因此加速研制一些多功能的计算机辅助设计软件，对于提高矿山机械设计的质量，是很有必要的。目前，在农机领域已经有了用于微型机的大型多功能的MAS程序系统，不过，在优化设计等方面，还有待进一步完善。应用CAD软件，可以在以下几个方面起到明显作用：一是提供合理的设计方案、节省钢材和成本。二是提高产品设计水平。三是可找出结构损坏的原因和有害振动的根源。四是可以对机器系统进行多目标的优化设计。在研制CAD系统时，应该注意的是：一是发掘较为普及的微型机的潜力。二是结构设计和分析的完备性（结构静动分析、结构静动优化计算机绘图等）。三是适用于多种结构型式，即适用于多单元的结构（如杆、梁、板、壳等）。
三、发展方向
1.大力推广应用结构优化设计的发展方向。航空、国防、造船等行业分别召开了结构优化设计的学术交流会。土建部门还举办了结构优化设计的专门讲习班。机械工程学会召开的强度学术会议上也交流了结构优化方面的论文。这说明在这些行业和部门，结构优化设计已经受到重视。因此，矿山机械设计部门的工作者（包括设计师、研究生和教师）应该注意推广和应用结构优化设计技术。可以举办结构优化枝术讲习班，召开矿山机械结构优化设计学术交流会。学习工程设计人员应该掌握结构优化设计的基本知识，学会使用一些结构优化设计软件。对具体的结构采用优化设计，以提高整个矿山机械的设计水平。
2.矿机结构从静力优化向动力优化过渡。首先，我们要大力开展矿机结构的静力优化设计，推广应用和完善现有的结构优化程序，研制和发展一些通用性较强而且又适合矿机特点的软件包。其次，我们应该在结构静力优化的基础上，对矿机结构进行动力优化设入计。因为在静力优化时没有考虑结构的动力特性。如固有频率、动态响应等。而这些动力特性对于大部分矿山机械来说是比较重要的。如固有频率对司机乘坐的舒适性以及共振破坏等都是很重要的。而结构的动力优化设计就是在静力优化的基础上引进频率约束，动强度约束，动刚度约束等。在理论上，进行动力优化是没有困难的，静力优化的结果可以作为动力优化的初始值。
我们建议，在近几年内，应该集中精力着手研究一些具有专业特色的典型的程序包。如底盘、车架、机架等结构件的优一化程序。按照结构的通用性、统一性和组合性原则建立程序包，对结构件进行选型优化设计。当然，如果在程序包中加上对整机参数的优化、液压系统优化设计、传动系统优化设计等等，可以使矿山机械的设计更趋自动化。
参考文献：
[1]程耿东。可靠性最大的结沟优化设计.计算结构力学及其应用.2010，No4
Abstract： Optimization design is to apply optimum theory and computing technology into the field of mechanical design to provide the optimization design methods for engineering design. MATLAB optimization toolbox has many characteristics， such as the programming workload is less， the grammar conforms to engineering design practice and so on. MATLAB software is applied in this article， the minimum transmission volume of the first RV reducer gear as the objective function to optimize design and put forward the optimal design example. Compared with the original design scheme， it achieves good optimization effect.
关键词： MATLAB优化设计；目标函数；约束函数；RV减速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中图分类号：TG457.23 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）25-0085-03
0 引言
机械优化设计是最优化方法与机械设计的结合，设计工具是计算机软件及计算程序，设计方法是最优化数学方法。机械优化设计，就是在给定载荷及工作环境条件基础上，在机械产品的性态、几何尺寸关系或其他因素的限制（约束）的范围内，根据设计要求及目标，选定设计变量、建立目标函数，并使其获得最优值，设计出经济可靠的机械产品。
换句话说，也就是在满足一定约束的前提下，寻找一组设计参数，使机械产品单项或多项设计指标达到最优。机械优化设计因其目标函数和约束函数普遍呈非线性的特点，设计步骤为先根据实际的设计问题建立相应的数学模型，在建立数学模型时需要应用专业知识确定设计的限制条件和所追求的目标，确定设计变量之间的相互关系等，并使之满足强度、刚度及运动学等约束条件。数学模型一旦建立，优化设计问题就变成了一个数学求解问题，应用优化理论，设计优化程序，以计算机为载体计算得到最优化设计参数。
美国可口可乐公司是全球最大的饮料公司，拥有全球市场48%的占有率，为降低生产成本，提升品牌竞争力，可口可乐瓶有一段优化设计的佳话，优化处理后的可口可乐瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能却丝毫未受影响，仅此一举就节省了可观的材料费用，带来了可观的利润。
近年来制造业转型升级、国家推出“机器换人”工程，把机器人、高端数控设备的应用推向了，但基于机器人的RV减速器一直是个技术难题，直接影响到机器人的工作性能指标。
RV减速器产品在结构上由一级渐开线齿轮传动和一级摆线针轮行星传动串联构成，渐开线齿轮传动构成第一级传动，摆线齿轮行星传动构成第二级传动。RV减速器是一款刚度最高、振动最低的机器人用减速器，能够提高机器人工作时的动态特性，减小传动回差，而且还具有体积小重量轻、结构紧凑、传动比范围大、承载能力大、运动精度高、传动效率高等优点。
RV减速器广泛应用在机器人、数控机床行业，传统设计全由设计人员手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、体积或质量更小的指标要求下，希望能从一系列可行的设计方案中精选最优，传统的设计方法做不到，因而有必要采用优化方法来确定其设计参数。
RV减速器优化设计要解决的问题，与其使用场合的具体要求有关。在保证传动能力的条件下要求齿轮传动及针摆传动体积最小或质量最小；在要求较高时，需要优选齿轮的几何参数使齿轮副具有形成油膜的最佳条件；优化齿轮传动的惯性质量分配，以便最大限度地减少工作时间的振动和噪声，以及传动功率最大和工作寿命最长等。
对于不同类型的RV减速器，其优化设计具有各自的特点，设计变量一般选择齿轮传动的基本几何参数或性能参数，如齿数、模数、齿宽系数、传动比、螺旋角、变位系数和中心距等。
根据优化目标的不同，RV减速器设计可以有多种最优化方案，本文讨论的是在满足齿轮传动强度、刚度和寿命条件下，使RV减速器转矩最大、体积最小或质量最小。
基于RV减速器的机器人抓握机械手工况条件，8小时工作，正反转，轻载平稳，空载起动，室内工作，使用寿命5年，在温州职业技术学院工业中心单件生产，机器人机械手转矩T3=20 N・m，转速n3=5rpm，为优化设计对象，要求在保证齿根弯曲疲劳强度和齿面接触疲劳强度的条件下，获得转矩最大、体积最小、重量最轻的传动装置。应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，齿轮传动体积最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。因此以转矩最大为优化目标，建立优化设计数学模型。
1 目标函数
①工作载荷计算功率P3。
因为T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上机器工作载荷系数K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②应用针摆传动效率η2=97%，计算第二级针摆传动功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③应用渐开线齿轮传动效率η1=95%，计算第一级齿轮传动功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④应用电机传动效率η=99%，计算电机功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤计算电机转矩。
因为RV减速器总传动比为i=-Z2/Z1*Zb，则电机转速为n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以电机转矩为T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N・m
对于第二级针摆传动，设计采用一齿差摆线针轮行星传动，因此针齿齿数Zb必须为偶数，Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，而10≤k≤50，则电机转矩表达式为
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N・m。
所以，电机转矩表达式有3个变量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表达式变为T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
机械手的工作要求是转矩足够大，而MATLAB软件的fmincon函数只能进行最小值优化，所以对电机转矩求倒数，对电机转矩的倒数作最小值优化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目标函数f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非线性约束条件
①非线性约束条件1。
根据机器人抓握机械手工况条件、载荷条件，可以判定齿轮几何尺寸不大，模数较小，初定为0.5或1mm；转矩也不大，约为20N・m，电机转矩理论上应该可以控制在1 N・m以内，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，则
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≥1
所以1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0构成非线性约束条件1。
②非线性约束条件2、非线性约束条件3。
RV减速器对总传动比有范围要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成两个表达式，即
140-（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤0，（（x（2）/x（1））*2*x（3））-180≤0，整理后140-（x（2）/x（1））*2*x（3）≤0及（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0构成非线性约束条件2、3。
综上，非线性约束条件共3个，
1-（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）≤0140- （x（2）/x（1））*2*x（3）≤0（x（2）/x（1））*2*x（3）-180≤0
3 线性约束条件
①线性约束条件1、线性约束条件2。
为使RV减速器偏心轴轴承与摆线轮之间的作用力不至过大，渐开线齿轮传动中心距a应是针齿基圆半径R的0.35～0.65倍，这个可归为结构尺寸条件。
因为要设计出在转矩最大前提下，体积最小质量最轻的RV减速器，必须使齿轮传动的中心距最小，RV减速器的结构紧凑，所以初定针齿基圆半径R=（30～40）mm，所以
a=（0.35～0.65）*R=（0.35～0.65）*（30～40）=（10.5～26）mm，取整后11≤a≤26。因为
a=1/2*m*（Z2+Z1），因为模数越小，齿轮的几何尺寸就越小，所以模数取0.5，则
a=1/2*0.5*（Z2+Z1）=0.25*（Z2+Z1），所以11≤0.25*（Z2+Z1）≤26，即
11≤0.25*（x（2）+x（1））≤26，展成两个表达式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26构成线性约束条件1、2。
②线性约束条件3、线性约束条件4。
为使第二级摆线针轮行星传动部分输入转矩不至过大，第一级渐开线齿轮传动的传动比必须控制为i≥1.5，但单级齿轮传动比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成两个表达式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0构成线性约束条件3、4。
③线性约束条件5、6、7。
小齿轮齿数的取值范围8≤Z1≤20，展成两个表达式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20构成线性约束条件5、6。
大齿轮齿数的取值范围Z2≤100，即x（2）≤100构成线性约束条件7。
④线性约束条件8、9。
因为Zb必须为偶数，所以Zb用数学表达式来表达，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成两个表达式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50构成线性约束条件8、9。
把9个线性约束条件写矩阵表达式，即
-0.25 * x（1）- 0.25 * x（2） ≤-11
0.25 * x（1）+ 0.25 * x（2） ≤26
1.5 * x（1）- x（2） ≤0
-5 * x（1）+ x（2） ≤0
-x（1） ≤-8
x（1） ≤20
x（2） ≤100
-x（3） ≤-10
x（3） ≤50
4 MATLAB编程
把上述计算过程编写成MATLAB程序，应用MATLAB软件优化工具箱对电机转矩做最大值优化，即应用fmincon函数对电机转矩的倒数求最小值优化，优化的目的是求出在转矩最大的情况下，RV减速器中心距最小，实际上就是求齿轮齿数的取值。
该数学模型为3个设计变量、12个约束条件的多元函数最小值问题，采用MATLAB软件优化工具箱求解最优结果，进行非线性有约束多元函数最小值计算，命令函数为fmincon，主程序如图1，非线性约束条件如图2，程序运行结果如图3。
程序经过6次迭代计算，MATLAB计算优化结果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N・m。
5 数据优化处理
因为齿数一定为整数，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因为Z1
因为齿轮模数m=0.5mm，所以齿轮传动中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，满足初定的齿轮传动中心距取值范围11～26mm。
用优化处理的参数计算电机转矩的最大值T=0.24 N・m。
6 比较与结论
RV减速器齿轮传动原设计电机转矩为0.2N・m，中心距为20mm，经过MATLAB软件优化工具箱优化处理，电机转矩增至0.24N・m，中心距降为15mm，满足齿根弯曲疲劳强度条件和齿面接触疲劳强度条件，在保证传动能力的前提下减速器体积减少了约30%，效能非常可观。
参考文献：
[1]郑宝乾.ZD型减速器整体结构有限元模态分析[J].煤炭技术，2010，12（18）.
[2]席平原.应用MATLAB工具箱实现机械优化设计[J].机械设计与研究，2003，19（3）：40-42.
关键词：上肢康复训练机器人 青岛大学硕士开题报告范文 青岛论文 开题报告
一、 选题的目的和意义
据统计,我国60 岁以上的老年人已有1.12 亿。伴随老龄化过程中明显的生理衰退就是老年人四肢的灵活性不断下降，进而对日常的生活产生了种种不利的影响。此外，由于各种疾病而引起的肢体运动性障碍的病人也在显著增加，与之相对的是通过人工或简单的医疗设备进行的康复理疗已经远不能满足患者的要求。随着国民经济的发展，这个特殊群体已得到更多人的关注，治疗康复和服务于他们的产品技术和质量也在相应地提高，因此服务于四肢的康复机器人的研究和应用有着广阔的发展前景。
目前世界上手功能康复机器人的研究出于刚起步状态，各种机器人产品更是少之又少，在国内该领域中尚处于空白状态，临床应用任重而道远，因此对手功能康复机器人的研究有广阔的应用前景和重要的科学意义。
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题：康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。本课题针对以上问题，采用气动人工肌肉驱动的手指康复训练机器人实现手指康复训练的多自由度运动，不仅降低了设备成本，更重要的是提高了系统对人类自身的安全性和柔顺性，且具有体积小，运动的强度和速度易调整等特点。
课题的研究思想符合实际国情和康复机器人对系统柔顺性、安全性、轻巧性的高要求 。它将机器人技术应用于患者的手部运动功能康复，研究一种柔顺舒适、可穿戴的手功能康复机器人，辅助患者完成手部运动功能的重复训练，其轻便经济、穿卸方便，尤其适于家庭使用，既可为患者提供有效的康复训练，又不增加临床医疗人员的负担和卫生保健。
综上所述，气动人工肌肉驱动手指康复训练机器人的设计是气压驱动与机器人技术相结合在康复医学领域内的新应用，具有重要的科学意义。
二、 国内外研究动态
2.1 国外研究动态
美国是研究气动肌肉机构最多的国家，主要集中在大学。
华盛顿大学的生物机器人实验室从生物学角度对气动肌肉的特性作了深入研究，从等效做功角度建模，并进行失效机理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射运动控制研究。
vanderbilt 大学认知机器人实验室(cognitive robotics lab, crl)研制了首个采用气动肌肉驱动的爬墙机器人，并应用于驱动智能机器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利诺伊大学香槟分校的贝克曼研究所对图像定位的5自由度soft arm 机械手采用神经网络进行高精度位置控制和轨迹规划。亚利桑那州立大学设计了并联弹簧的新结构气动肌肉驱动器，可以同时得到收缩力和推力，并与工业界合作开发了多种用于不同部位肌肉康复训练的小型医疗设备。
英国salford 大学高级机器人研究中心对气动肌肉的应用作了长期的系统研究，开发了用于核工业的操作手、灵巧手、仿人手臂以及便携式气源和集成化气动肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的远程控制。
法国国立应用科学学院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了气动肌肉的动静态性能和多种控制策略，目前正在研制新型驱动源的人工肌肉以及在远程医疗上的应用。
比利时布鲁塞尔自由大学制作了新型的折叠式气动肌肉用于驱动两足步行机器人，实现了运动控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又发明了多种不同结构的气动肌肉。德国festoon 公司发明了适合工业应用的气动肌腱fluidic muscle，寿命可达1000万次以上，同时还对气动肌肉的应用作了许多令人耳目一新的工作。英国shadow 公司研制了目前世界上最先进的仿人手。美国的kinetic muscles 公司与亚利桑那州立大学合作开发了多种用于肌肉康复训练的小型医疗设备。
lilly采用基于滑动模的参数自适应控制策略，实现了单气动肌肉驱动的关节位置控制。
2.2 国内研究动态
自20 世纪90 年代以来，我国陆续开始了气动肌肉的研究。
北京航空航天大学的宗光华较早开始气动肌肉的研究，分析了其非线性特性、橡胶管弹性及其自身摩擦对驱动模型的影响，并应用于五连杆并联机构，通过刚度调节实现柔顺控制。
上海交通大学的田社平等运用零极点配置自适应预测控制、非线性逆系统控制以及基于神经网络方法，实现单自由度关节的快速、高精度位置控制。
哈尔滨工业大学的王祖温等分析了气动肌肉结构参数对性能的影响、气动肌肉的静动态刚度特性以及与生物肌肉的比较，提出将气动肌肉等效为变刚度弹簧，设计了气动肌肉驱动的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反馈数据手套和6 足机器人，采用输入整形法解决关节阶跃响应残余震荡问题。
北京理工大学的彭光正等先后进行了单根人工肌肉、单个运动关节以及3 自由度球面并联机器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神经网络等多种智能控制算法，并设计了6 足爬行机器人和17 自由度仿人五指灵巧手。
哈尔滨工业大学气动中心的隋立明博士也通过实验得到了气动人工肌肉的一个更简洁的修正模型和经验公式并对两根气动人工肌肉组成的一个简单关节系统进行实验建模和采用位置闭环的控制方法进一步验证气动人工肌肉的模型。
上海交通大学的林良明也对气动人工肌肉的轨迹学习控制进行了仿真研究给出了学习的收敛性的初步结论为下一步的学习控制奠定了基础。其中田社平通过对气动人工肌肉收缩在频率域上的数学模型并对它的结构及其静动态特性进行了理论分析建立了相应的静态力学方程。
2003年付大鹏等，以机械手抓取物体为分析对象，采用矩阵法来描述机械手的运动学和动力学问题，以四阶方阵变换三维空间点的齐次坐标为基础，将运动、变换和映射与矩阵计算联系起来建立了机械手的运动数学模型，并提出了机械手运动系统优化设计的新方法，这种方法对机械手的精密设计和计算具有普遍适用意义。
2005年车仁炜，吕广明，陆念力对5自由度的康复机械手进行了动力学分析，将等效有限元的方法应用到开式的5自由度的康复机械手的动力分析中，这种方法比传统的分析方法建模效率高、简单快捷，极其适合现代计算机的发展，的除了机械臂的动力响应曲线，为机械手的优化设计及控制提供理论依据。
2008年北京联合大学张丽霞，杨成志根据拿取非规则物品的任务要求，采用转动机构和连杆机构相结合，设计了五指型机器手，手指弯曲电机与指间平衡电机耦合驱动，实现了机器手的多角度张开、抓握运动方式,对实用型仿人机器手的机构设计有参考意义。
2009年杨玉维等人对轮式悬架移动2连杆柔性机械手进行了动力学研究与仿真，。采用经典瑞利.里兹法和浮动坐标法描述机械手弹性变形与参考运动间的动力学耦合问题， 综合利用拉格朗日原理和牛顿.欧拉方程并在笛卡尔坐标系下，以矩阵、矢量简洁的形式构建了该移动柔性机械手系统的完整动力学模型并进行仿真。
2009年罗志增，顾培民研究设计了一种单电机驱动多指多关节机械手，能够很好的实现灵巧、稳妥的抓取物体，这个机械手共有4指12个关节。每个手指有3个指节，由两个平行四边形的指节结构确保手指末端做平移运动，这种设计方案很好的实现了控制简单、抓握可靠的目的。
从目前来看，国内对气动人工肌肉的研究仍处于刚起步的阶段。有关气动人工肌肉的研究与国外还有相当的差距对气动人工肌肉中的许多问题，还没有进行深入的研究。此外，采用气动人工肌肉作为机器人驱动器的研究还不成熟。
三、 主要研究内容和解决的主要问题
目前大多数手功能康复设备存在以下一些问题:康复训练过程中，缺乏对关节位置、关节速度的观测和康复力的柔顺控制，安全性能有待提高;大多数手功能康复设备没有拇指的参与;感知功能差，对康复治疗过程的力位信息和康复效果不能建立起有效地评价。为此，课题主要研究内容：设计一种结构简单，易于穿戴，并且安全、柔顺、低成本，使用方便的气动手功能康复设备。对气动手指康复系统进行机构运动学分析、用mat lab软件对康复训练机器人的康复治疗过程的力位信息进行仿真分析。
要实现上述的目标，系统中需要着重解决的关键技术有：
(1)基于已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分的设计，对手指康复训练方法分析和提炼。 主要包括：人手部的手指弯曲抓握动作分析，气压驱动关节机构自由度的优化配置。使机械手能够实现手指的弯曲、物体的抓握等手部瘫痪患者不能实现的动作。
(2)对机器人机械机构的运动学分析。主要包括：气压驱动的手指关节外骨骼机械机构的运动学分析。
(3)机器人机构的力位信息仿真。主要包括：用mat lab软件进行机器人气压驱动终端的力位信息 仿真。
根据总体方案设计以及工作量的要求，外附骨骼机械手系统是上肢康复训练机器人的一部分，本文主要是研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
四、论文工作计划与方案
论文工作计划安排：
2010年9月——2011年6月准备课题阶段：
主要工作：学习当今最先进的机器人设计技术;学习用matlab软件进行计算仿真及优化，查阅国内外的资料，对康复机械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月课题前期阶段
主要工作：课题方案设计，拟写开题报告，开题。
2011年10月——2012年7月课题中期阶段
主要工作：开始具体课题研究工作，根据已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构部分设计，对手指康复训练方法分析和提炼。研究手指康复机械系统运动学、动力学分析工作。
2012年8月——2012年12月课题后期阶段
主要工作：对手指康复机器人进行模拟仿真，对设计进行优化，并在此基础上进一步完善课题。
2013年1月——2013年4月结束课题阶段
主要工作：整理相关资料，撰写论文，准备进行毕业论文答辩。
2013年5月——2013年6月论文答辩阶段
主要工作方案：
1. 完成学位课与非学位课学习的同时，进行市场调研，对手指康复机械手作初步了解。
2. 查阅资料，了解气动手指康复机器人的国内外发展现状。
3. 分析已有上肢康复训练机器人外骨骼机械手机械结构的部分设计。
4. 对现有手指康复训练方法设计进行分析和提炼，分析其优缺点。
5. 开始具体设计工作。
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