時間：2023-03-22 17:35:00
緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發表網為您精選了8篇機械優化設計論文，愿這些內容能夠啟迪您的思維，激發您的創作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
整體設計思想把城市當成一個整體景觀，全面地考慮與建筑相關的各個元素——外部環境、建筑形態、附屬設備等協調關系。城市中的建筑不只是其本身構筑的主體，也是城市單元的一部分，建筑設計應注重城市空間的整體效果，考慮對所處地塊有影響的城市景觀要素，如面寬、輪廓線、相鄰建筑造型等，把反復的對照貫穿與建筑設計的始終，不可因過分強調自我表現而與景觀相沖突，保持建筑與景觀的和諧統一。
建筑是環境的一部分,只有與整體環境形成一定的生態聯系，才有一種共生關系。所以,建筑必須與外部空間相聯系,形成不同層次的空間環境。因此,建筑與環境之間的結合、呼應,不僅完善了建筑空間,也使空間得以延伸、擴展。建筑空間與景觀空間的結合,可以大大豐富建筑本身的空間。蘇州拙政園中的“借景”手法非常經典地闡釋了這種設計理念。例如：在市中心復雜地段建筑，由于道路不規則等問題對建筑產生了很大的制約，如果設計者采用圓形建筑風格，映襯周邊的弧形道路，再用環形的步行道穿插于之中，能夠形成建筑與環境的和諧統一。
二、和諧在于共同元素的發掘
在建筑設計中我們經常見到：一是關注建筑本身，后去考慮環境的美化；另一種是在環境中去添加建筑，建筑難以融入環境之中。這兩種設計環境都難以實現空間的和諧統一。事實上，我們不能單純考慮建筑，也不能單純關注景觀，單方面追求和諧統一的想法都是不現實的。如何在具體是設計過程中貫穿景觀與建筑和諧統一的理念呢？這就需要我們去尋找建筑與景觀的最佳結合點，不能在設計中顧此失彼。只有去尋求景觀與建筑的結合點，從這個地方切入，才能夠尋找到建筑的靈魂。
為此，我們在進行單體建筑設計的同時，預先提出整體環境框架與要求，在分析基址環境、周邊環境、視域環境等因素的基礎上，提出系統的設計指導原則。尊重建筑周圍景觀對建筑風格、色調、設施的各種要求，在這些要素中去尋找景觀與建筑相通的地方，抓住這個點來貫穿建筑與景觀，讓建筑風格與環境風格相符、相稱，讓建筑成為景觀生態中的一個部分，融入到環境當中去。對于一些后加入進去的建筑，或者是一些改造的建筑，也要在環境允許的條件下進行調整，保持建筑與環境之間的整體性。
三、用建筑思想反照景觀設計
建筑不僅僅從屬于景觀，也是景觀的一部分，當建筑融入景觀后，其本身也是對景觀的一種改造。所以，建筑的設計不僅要考慮與景觀的融合，也要考慮對景觀的創造性塑造。讓景觀襯托建筑、用建筑改造景觀。
在實踐中，我們要以建筑的理念對待景觀設計，用建筑分析、決策、設計的方法來造就景觀美學。具體設計中，我們可以建筑技術拓展景觀空間，用技術來表現科學與藝術的結合。同時，用建筑思維解決景觀問題。城市中的建筑與景觀往往要面對許多制約，包括場地的限制、經濟的限制，在設計過程中，采用建筑的思維方式可以解決城市景觀設計中的很多制約因素，比如，在城市建筑密集地區，以彩色噴涂地面的方式劃分出進出的道路以及人行與車行的路線，既滿足道路的功能要求，也為高層居民提供了視覺對象。
四、關注自然與文化雙重生態
建筑設計的過程中，還要考慮自然生態關系的和諧統一。例如：建筑要與周圍的公園、山體、水面、沙灘、樹林等自然資源形成一種良好的生態呼應，通過園林的手法就愛你過家建筑與其周圍環境聯系起來，減少建筑的體量感。同時，在色彩、高低等方面增強親和力，另外在內部綠化過程中，都要考慮植物的季節性、本土性與色彩性等，實現與周圍環境的良好過渡。日本大阪灣淡路島東北岸的“淡路夢舞臺”，在其規劃中明確提出“要建設，先種樹”，提前5年開始24萬株樹苗的栽種，它從整治建筑環境著手，治愈山體開采留存的傷痕，恢復和徹底改善山體的生態環境。這種建筑設計思想在建筑設計著眼點和目標上的轉變暗示著建筑設計與綠化景觀關系質的跳躍，是生態建筑思想的高度貫徹。19世紀80年代在歐洲發展的屋頂綠化計劃，也建立在相同的理念之下。
模型采用笛卡爾網格系統，I方向兩端網格步長為300m，中間網格步長為100m，J方向網格步長為200m，K方向網格步長為5m，總共31層，模型總網格數為19×7×31=4123。在氣藏底部采用Fetchovich水體模擬底水，中部布置大斜度井，井斜角為80°。同時，為判斷模型壓降參數設置是否正確，對研究區大斜度井進行實際測壓資料歷史擬合，即選擇該井處于穩定生產期的測壓數據進行擬合，其誤差小于5%，吻合效果較好。
2單參數對大斜度井開發效果的影響
為準確分析各參數對底水氣藏水淹規律及采出程度的影響，利用數值模擬多段井模型研究了井筒內的能量損失。井筒直徑為89mm，示蹤劑質量濃度為1.0mg/L，采用示蹤劑追蹤精確模擬底水見水時間。多段井模型將井筒劈分為多個段，每段拓撲結構保持原井軌跡，且擁有獨立的壓力、流體密度和相速度。考慮井筒內的能量損失，包括摩擦阻力損失、加速度損失及水靜力學壓降損失，進而可對井筒內的流體進行詳細描述。采用上述模型以某一測試產量模擬生產，通過對每個射孔網格流壓和流量的統計，可定量描述大斜度井不同長度的壓力變化和氣量差異。對于底水氣藏而言，若開發過程中底水逐漸上升，氣井避水高度和產量設計不合理，將導致過早見水，進而降低無水采出程度。目前，氣藏底水錐進研究中，見水時間通常采用經驗公式法或利用含水率來間接確定，這樣會存在一定的誤差。因此，筆者提出利用示蹤劑追蹤的方法來確定氣井產出底水的準確時間，在底水中加入不同的示蹤劑，通過模擬判斷氣井產水的來源，進而確定底水錐進的時間，為相關指標的優化提供依據。
2.1大斜度井的斜井段長度
為對比不同斜井段長度對底水氣藏水淹規律的影響，模擬研究大斜度井的斜井段長度分別為200m，400m，600m和800m，斜井趾端避水高度為60m，生產制度為穩定生產（55萬m3/d）情況下的水淹規律及開發效果。數值模擬結果表明：隨著斜井井段長度的增加，見水時間和無水采出程度均隨之增加，但增幅逐漸減小，預測期末采出程度也逐漸增大；當長度超過600m后，增長速度放緩，受長度增加的影響變弱。
2.2斜井段趾端避水高度
為對比不同斜井段避水高度對底水氣藏水淹規律的影響，模擬研究大斜度井的趾端避水高度分別為30m，40m，50m和60m，斜井段長度為600m，生產制度為穩定生產（55萬m3/d）情況下的水淹規律及開發效果。數值模擬結果表明：隨著斜井井段避水高度的增加，見水時間和無水采出程度均隨之增加，且增幅逐漸變大，預測期末采出程度逐漸減小；當斜井段避水高度超過40m時，對采出程度的影響變大。
3復合參數對大斜度井開發效果影響
單參數對大斜度井開發效果的影響在油氣田開發方案優化中常常被采用，該方法通過固定部分參數，逐個對其余參數進行優化，當參數之間沒有交互作用時，得出的結論是正確的。在實際生產中，不同參數的取值互相影響，即開發指標之間存在交互作用。因此，采用多次單參數優化往往只能得到局部最優結果。復合參數對大斜度井開發效果的影響是指斜井段長度、斜井段趾端避水高度和合理產量的綜合作用。若對各參數不同水平組合進行模擬，全面實驗則需要模擬較多方案，雖然能得到全局最優結果，但在網格精細劃分或者參數較多的情況下，將會耗費大量的機時，甚至難以實現。為此提出將正交設計極差分析法與數值模擬方案相結合，根據正交準則挑選典型代表點，并設計正交表，以提高方案的合理性，減少工作量。
4結論
（1）多段井描述技術將井筒劈分為多個段，每段拓撲結構保持原井軌跡，可實現對大斜度井井筒損失的模擬，以及準確表征斜井段上的壓力變化和氣量差異。靠近井筒趾端，壓力相對較高，靠近跟端壓降變化較大。
（2）在實際生產中，各參數對開發效果的影響往往是綜合作用的結果，極差分析法可作為優化開發指標的輔助手段，實現開發指標的全局最優。
在當今世界，計算機技術的飛速發展，導致廣告設計越來越機械化、模式化；而在激烈的市場經濟競爭下，廣告的持續發展必然要求設計家要突破各種常規，在注意信息傳達功能的同時，更應該注重獨特風格的發展，用富有創意的設計去打動消費者的心。于是人們發現，將情感融和到設計之中，廣告會獲得更易打動人心的力量。其原因在于，中國是一個具有五千年歷史的文化古國，每個人在其成長的過程中都受到過傳統文化的熏陶和感染，人們在傳統文化中受到最為單純、最為原始的溫暖人性，因此，在廣告設計作品中，如果能巧妙地運用中國傳統文化，會使人倍感親切、溫馨、信任，從而在心靈上引起共鳴，激發消費者消費的欲望。現代廣告設計只有真正引起消費者的情感共鳴，才能實現最佳的廣告效果。
如何將中國傳統文化融合到現代廣告設計中去?其作用又有哪些?這自然不是簡單的問題，對于傳統文化我們是照搬照抄，還是將傳統文化放置一邊，不予理睬?筆者認為好的設計應著重于人與人、人與空間和人與自然的融合上，是對傳統文化的再創造。而這種再創造是在理解的基礎上，用現代的審美觀對傳統的一些元素加以改造、提煉和運用，使其更富有時代的特征：或者把傳統的造型方法與表現形式運用到現代設計中來表達設計的理念，體現民族個性，這是對傳統文化再創造的理解。中國傳統文化對現代廣告設計的融合作用究竟體現在哪些方面呢?
一、中國傳統文化對現代廣告設計構圖的作用
所謂傳統文化，是指中國幾千年文化發展史中在特定的自然環境、經濟形式、政治結構、意識形態的作用下形成、積累和流傳下來，并且至今仍在影響著當今文化的“活”的中國古代文化，這些文化又包含了國畫、剪紙、建筑、皮影、雕刻等等。而傳統文化又與廣告有著不解之緣，兩者在構圖上的融和關鍵在于廣告設計中傳統美學的審美性。之前我們說過；中國是一個歷史文化古國，每個人都受到傳統文化的熏陶，這必然導致我們對“美”的崇拜和追求觀念不同與西方國家，形成具有中國傳統文化獨色的廣告作品。因此，中國傳統美學的審美性影響著廣告設計作品中“美”的體現，也影響著中國傳統文化的繼承和發展。
我們都知道廣告設計是屬于“瞬間藝術”，人們駐足于前的時間短，視線集中的程度有限，要想在這苛刻的條件下給人留有印象，廣告的設計就不能太過于復雜，必須要做到一目了然，簡潔明確，使人在一瞬之間、一定距離外能看清楚所要宣傳的事物。為了達到這個目的，廣告的設計總是盡可能采取假定的設計手法，將不同時間、空間發生的活動組合在一起，并經常運用象征手法，啟發人們的聯想來吸引消費者。所以在廣告構圖中，要突出重點，就要刪去次要的細節，甚至是背景。這種設計手法與國畫處理構圖的手法一致。例如：在國畫構圖中要求“以一當十”、“以少勝多”的精煉：或者“計白當黑”、“無畫處皆成妙境”的簡潔；“疏可走馬，密不透風”的對比關系等。由此我們可以看出，在現代廣告設計中，構圖要概括集中，突出醒目地表達所要宣傳的事物，表現物與物之間的內在聯系，賦予畫面更廣泛的含義并使人們在有限的畫面中能聯想到更廣闊的生活，感受到新的意義。我們只有將中國傳統文化的精髓融合到現代廣告設計的理念中去，才能使民族傳統文化與現代廣告設計真正的融為一體，從而增強廣告設計的傳播效率與文化藝術意蘊。另外，傳統文化與現代廣告設計的融和還可以有效增加廣告的附加價值，傳統文化由于自身特有的功能性和特殊的文化底蘊，本身就具有“滿足人們精神需要”的價值，這種價值可以在現代廣告設計中起到增強附加價值的作用。
二、中國傳統文化對現代廣告設計構思的作用
在現代廣告設計中，我們在跟隨西方現代設計潮流的時候，已不滿足于純粹跟隨，開始對傳統文化進行探索，并應用傳統文化的構思方法來結合現代廣告設計，體現中國傳統文化的意蘊及自身的文化內涵，把握并創造出具有東方特色的廣告設計作品。廣告設計是一種“瞬間藝術”，好的廣告作品不僅要讓人“一目了然”，還要“一見傾心”，為它所吸引，留下深刻的印象。這就要求在廣告設計中要具備精湛的構思。清代一位學者曾說過，一幅畫“與其令人愛，不如使人思”，好的廣告設計作品也是如此。它要讓人聯想、引起人的美好愿望、表現意境，就要有手段，我們稱之為“意匠”。如：“獨具匠心”指的就是別人沒有想到的你想到了，這也是在廣告設計中我們經常提到的一種構思方法。“意匠”具體說來就是選材(先取最精粹部分)、剪裁(去污存清)、夸張(強調形象的特征)、經營位置(構圖)、表現(選項用恰當的技法)等，而這一切，恰恰是我國廣告設計者最為常用的構思手段。
三、中國傳統文化對現代廣告設計內容的作用
傳統文化是現代廣告傳播成功的基礎，而現代廣告傳播則是因為傳統文化的滋養才具備了強勁的精神發散效力，“越是民族的就越是世界的”這句話在一定程度上對于廣告同樣適用。中國傳統文化源遠流長，怎樣在廣告設計的內容上體現傳統文化的精髓??這是我們值得深思的問題。筆者認為應從一個“意”字開始，廣告設計內容上的意字，指的是傳統文化所要表達的意蘊，也是意味深長之意。“意”是傳統文化在內容設計上的關鍵，也適合于現代廣告設計所提出的吉祥如意的設計理念，更符合中國人在廣告設計上的要求。例如：腦白金的廣告語“今年孝敬咱爸媽，送禮還送腦白金”、“今年過節不收禮，收禮還收腦白金”，就是利用了中國傳統文化對“意”的理解。中國自古就有尊老愛幼、孝敬父母的傳統美德，“腦白金”定位成一種禮品，并且是一種能帶給人健康的禮品，極力宣傳送禮更要送健康的“意”念。這個觀念定位恰好順應了中國的傳統，為廣大消費者所能接受，從而有效地樹立了企業、品牌形象。整個廣告根植于中華民族傳統文化，是有強烈的現代氣息，既符合了廣告主的要求，又達到了準確的廣告定位。
我國的傳統文化具有很強的東方文化的表現風格，它能完美地將我國的傳統文化融合到現代廣告設計理念中去。這不僅僅是對中華藝術精神的繼承，更是對中國傳統文化走向世界的一種推廣和弘揚。我們只有不斷加深對傳統文化的理解，將傳統文化融和到現代廣告設計中，才能對傳統文化加以改造、提煉和運用，更好地利用它創造新的富有中國特色的現代廣告設計理念。
【關鍵詞】壓力容器 應力分析 優化分析 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
隨著科技的發展，壓力容器在眾多工業部門中有著廣泛的應用，對壓力容器的要求也越來越高。以往的壓力容器及其部件的設計基本采用常規設計法，以彈性失效準則為基礎，材料的許用應力采用較大的安全系數來保障。由于設計偏于保守使得設計的容器比較笨重，且成本較高，材料有所浪費。
隨著工化設計朝著大型化，復雜化，高參數化方向發展，壓力容器部件越來越多的利用有限元壓力分析來完成。新的分析設計主要以塑性失效和彈塑性失效準則為基礎，比較詳細的計算了容器和承壓部件的應力，并利用大型有限元軟件ANSYS對壓力容器的壁厚及承壓進行優化設計分析。
2 典型壓力容器有限元分析
2.1 基于ANSYS的壓力容器有限元分析
在分析過程中壓力容器將空間問題平面化，有限元模型選取PLANE42單元。在ANSYS軟件中采用直接建模的方法，省略壓力容器的其他結構（如群座、螺栓等），并設定軸對稱選項，建立1/4軸對稱分析模型如圖2-2示。端部封頭對稱面各節點約束水平向位移，筒體下端各節點約束軸向位移，內壁施加均布荷載P=10Mpa.
2.1.1 對有限元模型施加邊界條件并求解
有限元分析的目的是了解模型對外部施加荷載的響應。在本例中，模型受到的荷載有內壓，外壓，重力以及支撐力，考慮到重力，外壓和支撐力相對內壓的影響而言作用甚小，可以忽略。因此只對內壁施加線荷載P=10Mpa，接下來進入求解處理器進行求解，獲得位移云圖及應力云圖，如圖2-1，2-2示。
圖 2-1 工作壓力為10 Mpa時的位移云圖 圖 2-2 工作壓力為10 Mpa時的應力云圖
圖中位移及應力大小分別采用不同的顏色表示，其中紅色表示位移及應力的最大值，藍色是最小值。從圖中可以看出位移的最大值出現在筒體下端，為1.2mm；應力的最大值出現在筒體與端部過渡的弧形處，最大值為95.7Mpa。
2.1.2 結果分析
圖2-1，2-2反映了筒壁受內壓作用后結構模型的位移、應力情況，從圖中可以看出：（1）由于受內壓作用，筒壁向外膨脹，模型為軸對稱圖形，所受的壓力是均布的，膨脹亦是均勻的，與預期相符；（2）筒壁沿軸向應力分布是不均勻的，應力最大出現在筒體與端部進氣管的過渡處。這是因為模型進氣管處尺寸發生了較大變化，導致應力集中，所以數值模擬結果是合理的；（3）通過對筒壁進行強度校核表明，當材料采用Q235-A時，壓力容器的最大應力值遠小于其許用應力（235Mpa），表明筒體的承壓空間還是有一定的提高潛勢的。
2.2 壓力容器承壓能力的分析
上述結果中表明該壓力容器的承壓空間還可以提升，故此對該模型分別施加線荷載P=5Mpa、15Mpa、16Mpa、17Mpa、18Mpa、19Mpa、20Mpa、25Mpa，分析其結果變化。圖2-3，2-4是模型的最大位移、最大應力值隨壓力的變化曲線圖。
從圖中可以看出：（1）位移和應力均隨著壓力的增加而變大，變化速率由大變小最后趨于平緩；（2）分析位移及應力的變化曲線表明，自開始加載到施加荷載15Mpa，其變化為線性變化，15Mpa到加載至25Mpa時，變化增長緩慢甚至趨于平緩。這與鋼材的力學性能有關：鋼材從加載到拉斷，有四個階段，即彈性階段、屈服階段、強化階段與破壞階段。從加載到某一定值時曲線呈直線變化是因為鋼材處于彈性階段，再繼續加載曲線出現平緩是因為鋼材進入屈服階段，產生塑性變形。所以也可以證明該有限元分析的可靠性；（3）從圖中易找出曲線從直線段過渡到平緩段的臨界點，即壓力15Mpa，此時該模型的最大位移為2.03mm，最大應力值為168Mpa（小于許用應力235Mpa）。
圖2-3 不同承壓下最大位移值的變化曲線 圖2-4 最大應力隨承壓的變化曲線
2.3 壓力容器厚度的優化設計
為了充分提高壓力容器的整體性能和材料的有效利用率，基于“塑性失效”和“彈塑性失效”準則，以板殼理論，彈性與塑性理論及有限元方法，根據具體工況，對壓力容器各部位進行詳細的應力計算及分析，在不降低設備安全性的前提下選取相對較低的安全系數，從而降低結構的厚度，使材料得到有效利用。
上述承壓15Mpa時該壓力容器的最大位移值為2mm，最大應力值168Mpa小于其許用應力235Mpa，故可以考慮變化筒壁厚度，使材料發揮最大強度。所以在臨界承壓15Mpa的作用下試將原筒壁厚度25mm變為20mm，21mm，22mm，30mm進行試算。下圖2-5、2-6為最大位移值、最大應力值隨筒壁厚度的變化曲線。
圖2-5 最大位移值隨筒壁厚度的變化曲線 圖2-6 最大應力值隨筒壁厚度的變化曲線
由圖可以看出：（1）在臨界承壓15Mpa下，容器的最大位移值、最大應力值均隨著筒壁厚度的增加而減小；（2）從最大應力值與筒體壁厚的變化曲線中可以看出，當壁厚為21mm時其最大應力值為231Mpa小于其許用應力。故此可以認為在臨界承壓下，該壓力容器的最優筒體壁厚為21mm，在此條件材料能發揮較高的強度。
3結語
本文采用ANSYSY軟件對壓力容器的位移、應力進行了較為詳細的分析，同時對壓力容器在滿足給定剛度和強度條件下進行厚度最小的優化設計。研究計算結果可以發現：
（1）壓力容器在受內壓時，筒體中間位置變形最大，最大應力則發生在端部進氣管與筒體的過渡處；
（2）在該給定容器的條件中，可以得到此容器的最大臨界承壓為15Mpa，此時的剛度、強度及應力均滿足要求；
（3）為了最大發揮材料的用途，在滿足給定強度和剛度條件下對該容器進行優化設計，可以得到其最優筒壁厚度為21mm。
同時也可以看出ANSYSY軟件對分析壓力容器的可靠性，有效性。很大程度上減少了設計成本和設計周期，也為更復雜的結構設計提供了新的方法。
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（1）過濾元件。過濾原件是凈化系統的最后屏障，是液壓系統污染的關鍵步驟，是主要的元器件，對環境起到一個保障作用，具有一定的實際應用價值。
（2）液壓凈化系統簡化模型。建立簡化的模型必須進行推導，利用數學公式建立邏輯模型，通過邏輯模型建立實際應用模型，模型的建立需要一個嚴謹的推導過程，液壓凈化系統簡化。
2液壓凈化系統的優化設計
本論文對液壓凈化系統進行優化選擇設計主要從元件級參數設置及系統布局兩方面進行闡述，對液壓系統進行優化及升級提高環境保護，對機械設備的使用壽命等有一定的延長，提高其工作效率有一定使用價值。
2.1元件級的優化設計
基于以上液壓污染動態平衡方程，對過濾元件過濾器進行優化選擇，主要從確定過濾時間、過濾比兩個方面進行優化選擇。
（1）臨界時間的確定。臨界時間是針對一定污染度油液的獨立過濾系統而言，當過濾時間達到，過濾系統的固體顆粒濃度不會隨時間的改變而改變，這個時間就稱為臨界時間。臨界時間對元件級的優化設計有一定的幫助，是對整個元件的優化設計有一定指導作用，對元件級的優化設計能順利進行提供有力保障。
（2）基于Matlab的過濾比的優化選擇。通過Matlab的過濾比進行優化選擇，對液壓系統產生的標準污染油液進行過濾比較。
2.2系統級優化與設計
根據液壓系統目標污染度的要求，適當選擇過濾管路及過濾器過濾精度，用于濾除系統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組件能耐受的污染限度之內。
（1）液壓凈化系統的布局。液壓凈化系統在實際使用過程中必須進行合理化地布局，布局采用多種方式，有時候多種方式進行合理布局，可提高過濾效果，增大系統的納污量，減少清洗次數及延長液壓系統的壽命。
（2）不同組合方式的過濾效果。通過實驗進行驗證，應用一種過濾方式過濾效果一般，通過多種形式與方式進行過濾能產生不同的效果，在工業實際生產過程中，經常選用多種組合方式進行過濾，其過濾效果是非常理想的，應用各種過濾方式的優勢，達到一定效果。
3基于HyPneu的仿真驗證
關鍵詞：結構優化設計技術；礦山機械設計；初步
礦山機械中的一些大型設備大部分是結構件。據不完全統計，裝載機、牙輪鉆機、挖掘機等設備，其結構件占60%以上。對這些以結構件為主的設備，采用傳統的設計方法，其結果是很不理想的。慶幸的是，我們這行業的研究設計人員開始關注這個問題，做了一些有益的工作。如對一些機構進行了優化設計，用有限原方法進行結構的靜動強度分析等等。但到目前為止，仍沒見到有關礦山機械結構優化的文獻。
一、礦山機械結構優化的可行性和必要性
1.盡管有這樣那樣的困難，對礦山機械進行結構優化設計還是有可能的。結構優化設計應用有三個前提條件：一是電子計算機的發展和普及，二是有限元理論和方法的發展；三是高效的結構優化方法。從目前情況著，電子計算機特別是微型電子計算機在科研、設計部門已日益普及，作為結構優化基礎之一的有限元理論和方法是比較成熟的，而且有了不少通用的有限元分析程序；結構優化設計理論，經過二十多年的發展也日臻成熟，無論是優化準則法、數學規劃法還是兩者的統一方法，其解題效率都比較高。結構優化技術目前已廣泛地應用于航空部門、土建部門等。在礦山機械領域由于廣大科技工作者的努力，在有限元分析方面已取得了較大的進展。對牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等主要礦山機械的有限元分析已全面展開。這就為結構優化提供了直接的便利條件。給礦山機械的優化提供了可靠的保證。
2.礦機中的一些主要設備如牙輪鉆機、裝載機、挖掘機等都具有一個比較明顯的特點，那就是：十分笨重，運輸不便。對這些設備采用傳統方法進行設計時，則往往難以找到一個理想的方案。其應力分布和結構往往是不太合理。而采用結構優化設計方法，可以在對原始設計方案進行有限元分析的基礎上，采用自動尋優方法，就可以找到一個較理想的方案。使結構的應力分布更加均勻，結構更加合理。而且，從現在的文獻來看，設備的自重可以減輕25%左右，其經濟效益是十分顯著的。因此，有必要對礦機結構進行優化設計。
二、 礦山機械設計中結構優化設計技術
1. 最大可靠性結構優化設計。"可靠性"的概念對我們并不陌生，但將可靠性概率引入超靜定結構的設計中，卻鮮為人知。而在工程設計中卻經常希望在給定材料體積下盡可能合理地分布結構材料，使結構的可靠性盡可能地大，或是研究一個用料省、可靠性大的折衷方案。因此在礦山機械結構件設計中，引入可靠性概率（結構在規定的條件下，在規定的時間內完成預定功能的概率）這一衡量結構可靠性的指標，采用一次二階矩概率設計理論，以傳統的安全系數為目標進行優化，就可以提高結構的安全度，而且使結構更為合理。文獻"1"以結構桿件截面積為設計變量進行了可靠性最大的結構優化設計表明這個方法是可行的。
2. 結構模糊優化設計。從目前的有限元程序，對于所給定的計算模型，其結果是比較精確的。但是對實際結構而言，這個結果是不大可信的。這是與模型、載荷，約束的簡化等多方面因素有關。本來，這些因素在實際工作或結構中是不大容易確定的，也就是說具有一定的"模糊性"。另外，對于有限元分析的計算工況的確定也是比較困難的。目前，我們在有限元分析中，一般是選擇典型工況進行，至于這典型工況的"典型性"則是由分析者自己確定。此外，在結構優化設計中，還有許多東西是模糊的，目標函數、約束條件、約束條件的右端項等等均具有一定的模糊性。最后，為了真正地得到滿足所有可能約束的結構最佳組成，我們要對最后的尺寸和形狀作出決策。因為，對每種不同的工況，計算得到的"最優值"是各不相同的，那么，在綜合所有計算工況時，究竟如何確定其最終尺寸呢？顯然，按滿應力法則不大可行，因為滿應力法是要求每一單元至少在一種工況下達到滿應力狀態，這樣綜合的結構就不可能是最輕結構。因此，最后尺寸和形狀的決定也要借助模糊理論來解決。從模糊到精確，再從精確到模糊，這是符合歷史發展規律。
3.研制、推廣、應用CAD軟件。根據現代結構設計的需要，借助計算機輔助設計，不但能對結構的初始方案和改進方案快速地進行結構分析和強度校核。而且還能開展以最輕重量的單目標優化設計和以機器工作性能、節省鋼材和結構強度三大要素為出發點的多目標優化設計。因此加速研制一些多功能的計算機輔助設計軟件，對于提高礦山機械設計的質量，是很有必要的。目前，在農機領域已經有了用于微型機的大型多功能的MAS程序系統，不過，在優化設計等方面，還有待進一步完善。應用CAD軟件，可以在以下幾個方面起到明顯作用：一是提供合理的設計方案、節省鋼材和成本。二是提高產品設計水平。三是可找出結構損壞的原因和有害振動的根源。四是可以對機器系統進行多目標的優化設計。在研制CAD系統時，應該注意的是：一是發掘較為普及的微型機的潛力。二是結構設計和分析的完備性（結構靜動分析、結構靜動優化計算機繪圖等）。三是適用于多種結構型式，即適用于多單元的結構（如桿、梁、板、殼等）。
三、發展方向
1.大力推廣應用結構優化設計的發展方向。航空、國防、造船等行業分別召開了結構優化設計的學術交流會。土建部門還舉辦了結構優化設計的專門講習班。機械工程學會召開的強度學術會議上也交流了結構優化方面的論文。這說明在這些行業和部門，結構優化設計已經受到重視。因此，礦山機械設計部門的工作者（包括設計師、研究生和教師）應該注意推廣和應用結構優化設計技術。可以舉辦結構優化枝術講習班，召開礦山機械結構優化設計學術交流會。學習工程設計人員應該掌握結構優化設計的基本知識，學會使用一些結構優化設計軟件。對具體的結構采用優化設計，以提高整個礦山機械的設計水平。
2.礦機結構從靜力優化向動力優化過渡。首先，我們要大力開展礦機結構的靜力優化設計，推廣應用和完善現有的結構優化程序，研制和發展一些通用性較強而且又適合礦機特點的軟件包。其次，我們應該在結構靜力優化的基礎上，對礦機結構進行動力優化設入計。因為在靜力優化時沒有考慮結構的動力特性。如固有頻率、動態響應等。而這些動力特性對于大部分礦山機械來說是比較重要的。如固有頻率對司機乘坐的舒適性以及共振破壞等都是很重要的。而結構的動力優化設計就是在靜力優化的基礎上引進頻率約束，動強度約束，動剛度約束等。在理論上，進行動力優化是沒有困難的，靜力優化的結果可以作為動力優化的初始值。
我們建議，在近幾年內，應該集中精力著手研究一些具有專業特色的典型的程序包。如底盤、車架、機架等結構件的優一化程序。按照結構的通用性、統一性和組合性原則建立程序包，對結構件進行選型優化設計。當然，如果在程序包中加上對整機參數的優化、液壓系統優化設計、傳動系統優化設計等等，可以使礦山機械的設計更趨自動化。
參考文獻：
[1]程耿東。可靠性最大的結溝優化設計.計算結構力學及其應用.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.
關鍵詞： MATLAB優化設計；目標函數；約束函數；RV減速器
Key words： MATLAB optimization design；objective function；constraint function；RV reducer
中圖分類號：TG457.23 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2015）25-0085-03
0 引言
機械優化設計是最優化方法與機械設計的結合，設計工具是計算機軟件及計算程序，設計方法是最優化數學方法。機械優化設計，就是在給定載荷及工作環境條件基礎上，在機械產品的性態、幾何尺寸關系或其他因素的限制（約束）的范圍內，根據設計要求及目標，選定設計變量、建立目標函數，并使其獲得最優值，設計出經濟可靠的機械產品。
換句話說，也就是在滿足一定約束的前提下，尋找一組設計參數，使機械產品單項或多項設計指標達到最優。機械優化設計因其目標函數和約束函數普遍呈非線性的特點，設計步驟為先根據實際的設計問題建立相應的數學模型，在建立數學模型時需要應用專業知識確定設計的限制條件和所追求的目標，確定設計變量之間的相互關系等，并使之滿足強度、剛度及運動學等約束條件。數學模型一旦建立，優化設計問題就變成了一個數學求解問題，應用優化理論，設計優化程序，以計算機為載體計算得到最優化設計參數。
美國可口可樂公司是全球最大的飲料公司，擁有全球市場48%的占有率，為降低生產成本，提升品牌競爭力，可口可樂瓶有一段優化設計的佳話，優化處理后的可口可樂瓶重只有原重量的80%，而瓶子的容量、性能卻絲毫未受影響，僅此一舉就節省了可觀的材料費用，帶來了可觀的利潤。
近年來制造業轉型升級、國家推出“機器換人”工程，把機器人、高端數控設備的應用推向了，但基于機器人的RV減速器一直是個技術難題，直接影響到機器人的工作性能指標。
RV減速器產品在結構上由一級漸開線齒輪傳動和一級擺線針輪行星傳動串聯構成，漸開線齒輪傳動構成第一級傳動，擺線齒輪行星傳動構成第二級傳動。RV減速器是一款剛度最高、振動最低的機器人用減速器，能夠提高機器人工作時的動態特性，減小傳動回差，而且還具有體積小重量輕、結構緊湊、傳動比范圍大、承載能力大、運動精度高、傳動效率高等優點。
RV減速器廣泛應用在機器人、數控機床行業，傳統設計全由設計人員手工完成，但在性能更好、使用更可靠方便、成本更低、體積或質量更小的指標要求下，希望能從一系列可行的設計方案中精選最優，傳統的設計方法做不到，因而有必要采用優化方法來確定其設計參數。
RV減速器優化設計要解決的問題，與其使用場合的具體要求有關。在保證傳動能力的條件下要求齒輪傳動及針擺傳動體積最小或質量最小；在要求較高時，需要優選齒輪的幾何參數使齒輪副具有形成油膜的最佳條件；優化齒輪傳動的慣性質量分配，以便最大限度地減少工作時間的振動和噪聲，以及傳動功率最大和工作壽命最長等。
對于不同類型的RV減速器，其優化設計具有各自的特點，設計變量一般選擇齒輪傳動的基本幾何參數或性能參數，如齒數、模數、齒寬系數、傳動比、螺旋角、變位系數和中心距等。
根據優化目標的不同，RV減速器設計可以有多種最優化方案，本文討論的是在滿足齒輪傳動強度、剛度和壽命條件下，使RV減速器轉矩最大、體積最小或質量最小。
基于RV減速器的機器人抓握機械手工況條件，8小時工作，正反轉，輕載平穩，空載起動，室內工作，使用壽命5年，在溫州職業技術學院工業中心單件生產，機器人機械手轉矩T3=20 N?m，轉速n3=5rpm，為優化設計對象，要求在保證齒根彎曲疲勞強度和齒面接觸疲勞強度的條件下，獲得轉矩最大、體積最小、重量最輕的傳動裝置。應用MATLAB軟件優化工具箱對電機轉矩做最大值優化，即應用fmincon函數對電機轉矩的倒數求最小值優化，優化的目的是求出在轉矩最大的情況下，齒輪傳動體積最小，實際上就是求齒輪齒數的取值。因此以轉矩最大為優化目標，建立優化設計數學模型。
1 目標函數
①工作載荷計算功率P3。
因為T3=9550*P3′/n3 ，代入得20=9550*P3′/5，所以P3′=0.01kW，把P3′打上機器工作載荷系數K=1.5，得
P3=P3′*K=0.01*1.5=0.015kW
②應用針擺傳動效率η2=97%，計算第二級針擺傳動功率P2，得
P2=P3/η2=0.015/0.97=0.016kW
③應用漸開線齒輪傳動效率η1=95%，計算第一級齒輪傳動功率P1，得
P1=P2/η1=0.016/0.95=0.017kW
④應用電機傳動效率η=99%，計算電機功率P，得
P= P1/η=0.017/0.99=0.018 kW
⑤計算電機轉矩。
因為RV減速器總傳動比為i=-Z2/Z1*Zb，則電機轉速為n=i*n3=5*（-Z2/Z1*Zb），
所以電機轉矩為T=9550*P/n=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*Zb））N?m
對于第二級針擺傳動，設計采用一齒差擺線針輪行星傳動，因此針齒齒數Zb必須為偶數，Zb用數學表達式來表達，即Zb=2*k，而10≤k≤50，則電機轉矩表達式為
T=（9550*0.018）/（5*（（Z2/Z1）*（2*k）））N?m。
所以，電機轉矩表達式有3個變量Z1、Z2、k，即X=[x1，x2，x3]T=[Z1，Z2，k]T，表達式變為T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））。
機械手的工作要求是轉矩足夠大，而MATLAB軟件的fmincon函數只能進行最小值優化，所以對電機轉矩求倒數，對電機轉矩的倒數作最小值優化，即
1/T=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018），
所以在MATLAB中，目標函數f（x）=（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））/（9550*0.018）。
2 非線性約束條件
①非線性約束條件1。
根據機器人抓握機械手工況條件、載荷條件，可以判定齒輪幾何尺寸不大，模數較小，初定為0.5或1mm；轉矩也不大，約為20N?m，電機轉矩理論上應該可以控制在1 N?m以內，即T=（9550*0.018）/（5*（（x（2）/x（1））*（2*x（3））））≤1，則
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構成非線性約束條件1。
②非線性約束條件2、非線性約束條件3。
RV減速器對總傳動比有范圍要求，140≤i≤180，即
140≤（（x（2）/x（1））*2*x（3））≤180，展成兩個表達式，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構成非線性約束條件2、3。
綜上，非線性約束條件共3個，
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 線性約束條件
①線性約束條件1、線性約束條件2。
為使RV減速器偏心軸軸承與擺線輪之間的作用力不至過大，漸開線齒輪傳動中心距a應是針齒基圓半徑R的0.35～0.65倍，這個可歸為結構尺寸條件。
因為要設計出在轉矩最大前提下，體積最小質量最輕的RV減速器，必須使齒輪傳動的中心距最小，RV減速器的結構緊湊，所以初定針齒基圓半徑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。因為
a=1/2*m*（Z2+Z1），因為模數越小，齒輪的幾何尺寸就越小，所以模數取0.5，則
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，展成兩個表達式，
-0.25*x（1）-0.25*x（2）≤11及0.25*x（1）+0.25*x（2）≤26構成線性約束條件1、2。
②線性約束條件3、線性約束條件4。
為使第二級擺線針輪行星傳動部分輸入轉矩不至過大，第一級漸開線齒輪傳動的傳動比必須控制為i≥1.5，但單級齒輪傳動比又不宜大于5，所以1.5≤Z2/Z1≤5，即
1.5≤x（2）/x（1）≤5，展成兩個表達式，
1.5*x（1）-x（2）≤0及-5*x（1）+x（2）≤0構成線性約束條件3、4。
③線性約束條件5、6、7。
小齒輪齒數的取值范圍8≤Z1≤20，展成兩個表達式，-Z1≤-8，Z1≤20，即
-x（1）≤-8及x（1）≤20構成線性約束條件5、6。
大齒輪齒數的取值范圍Z2≤100，即x（2）≤100構成線性約束條件7。
④線性約束條件8、9。
因為Zb必須為偶數，所以Zb用數學表達式來表達，即Zb=2*k，10≤k≤50，展成兩個表達式，-k≤-10，k≤50，即-x（3）≤-10及x（3）≤50構成線性約束條件8、9。
把9個線性約束條件寫矩陣表達式，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編程
把上述計算過程編寫成MATLAB程序，應用MATLAB軟件優化工具箱對電機轉矩做最大值優化，即應用fmincon函數對電機轉矩的倒數求最小值優化，優化的目的是求出在轉矩最大的情況下，RV減速器中心距最小，實際上就是求齒輪齒數的取值。
該數學模型為3個設計變量、12個約束條件的多元函數最小值問題，采用MATLAB軟件優化工具箱求解最優結果，進行非線性有約束多元函數最小值計算，命令函數為fmincon，主程序如圖1，非線性約束條件如圖2，程序運行結果如圖3。
程序經過6次迭代計算，MATLAB計算優化結果：
Z1 =9.7009，Z2=34.8305，k=19.4962，1/T=4.0721，
即T=0.24 N?m。
5 數據優化處理
因為齒數一定為整數，所以取Z1=10，Z2=36，i1=36/9=4。
又因為Z1
因為齒輪模數m=0.5mm，所以齒輪傳動中心距a=0.5*m*（Z2+Z1）=0.5*0.5*（48+12）=15mm，滿足初定的齒輪傳動中心距取值范圍11～26mm。
用優化處理的參數計算電機轉矩的最大值T=0.24 N?m。
6 比較與結論
RV減速器齒輪傳動原設計電機轉矩為0.2N?m，中心距為20mm，經過MATLAB軟件優化工具箱優化處理，電機轉矩增至0.24N?m，中心距降為15mm，滿足齒根彎曲疲勞強度條件和齒面接觸疲勞強度條件，在保證傳動能力的前提下減速器體積減少了約30%，效能非常可觀。
參考文獻：
[1]鄭寶乾.ZD型減速器整體結構有限元模態分析[J].煤炭技術，2010，12（18）.
[2]席平原.應用MATLAB工具箱實現機械優化設計[J].機械設計與研究，2003，19（3）：40-42.
關鍵詞：上肢康復訓練機器人 青島大學碩士開題報告范文 青島論文 開題報告
一、 選題的目的和意義
據統計,我國60 歲以上的老年人已有1.12 億。伴隨老齡化過程中明顯的生理衰退就是老年人四肢的靈活性不斷下降，進而對日常的生活產生了種種不利的影響。此外，由于各種疾病而引起的肢體運動性障礙的病人也在顯著增加，與之相對的是通過人工或簡單的醫療設備進行的康復理療已經遠不能滿足患者的要求。隨著國民經濟的發展，這個特殊群體已得到更多人的關注，治療康復和服務于他們的產品技術和質量也在相應地提高，因此服務于四肢的康復機器人的研究和應用有著廣闊的發展前景。
目前世界上手功能康復機器人的研究出于剛起步狀態，各種機器人產品更是少之又少，在國內該領域中尚處于空白狀態，臨床應用任重而道遠，因此對手功能康復機器人的研究有廣闊的應用前景和重要的科學意義。
目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題：康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。本課題針對以上問題，采用氣動人工肌肉驅動的手指康復訓練機器人實現手指康復訓練的多自由度運動，不僅降低了設備成本，更重要的是提高了系統對人類自身的安全性和柔順性，且具有體積小，運動的強度和速度易調整等特點。
課題的研究思想符合實際國情和康復機器人對系統柔順性、安全性、輕巧性的高要求 。它將機器人技術應用于患者的手部運動功能康復，研究一種柔順舒適、可穿戴的手功能康復機器人，輔助患者完成手部運動功能的重復訓練，其輕便經濟、穿卸方便，尤其適于家庭使用，既可為患者提供有效的康復訓練，又不增加臨床醫療人員的負擔和衛生保健。
綜上所述，氣動人工肌肉驅動手指康復訓練機器人的設計是氣壓驅動與機器人技術相結合在康復醫學領域內的新應用，具有重要的科學意義。
二、 國內外研究動態
2.1 國外研究動態
美國是研究氣動肌肉機構最多的國家，主要集中在大學。
華盛頓大學的生物機器人實驗室從生物學角度對氣動肌肉的特性作了深入研究，從等效做功角度建模，并進行失效機理分析，制作力假肢和仿人手臂用于脊椎反射運動控制研究。
vanderbilt 大學認知機器人實驗室(cognitive robotics lab, crl)研制了首個采用氣動肌肉驅動的爬墻機器人，并應用于驅動智能機器人(intelligent soft-arm control, isac)的手臂。
伊利諾伊大學香檳分校的貝克曼研究所對圖像定位的5自由度soft arm 機械手采用神經網絡進行高精度位置控制和軌跡規劃。亞利桑那州立大學設計了并聯彈簧的新結構氣動肌肉驅動器，可以同時得到收縮力和推力，并與工業界合作開發了多種用于不同部位肌肉康復訓練的小型醫療設備。
英國salford 大學高級機器人研究中心對氣動肌肉的應用作了長期的系統研究，開發了用于核工業的操作手、靈巧手、仿人手臂以及便攜式氣源和集成化氣動肌肉，目前正在研究10 自由度的下肢外骨骼以及仿人手的遠程控制。
法國國立應用科學學院(instituted national dissidences appliqués, insa)研究了氣動肌肉的動靜態性能和多種控制策略，目前正在研制新型驅動源的人工肌肉以及在遠程醫療上的應用。
比利時布魯塞爾自由大學制作了新型的折疊式氣動肌肉用于驅動兩足步行機器人，實現了運動控制。
日本bridgestone 公司在rubber tauter 之后又發明了多種不同結構的氣動肌肉。德國festoon 公司發明了適合工業應用的氣動肌腱fluidic muscle，壽命可達1000萬次以上，同時還對氣動肌肉的應用作了許多令人耳目一新的工作。英國shadow 公司研制了目前世界上最先進的仿人手。美國的kinetic muscles 公司與亞利桑那州立大學合作開發了多種用于肌肉康復訓練的小型醫療設備。
lilly采用基于滑動模的參數自適應控制策略，實現了單氣動肌肉驅動的關節位置控制。
2.2 國內研究動態
自20 世紀90 年代以來，我國陸續開始了氣動肌肉的研究。
北京航空航天大學的宗光華較早開始氣動肌肉的研究，分析了其非線性特性、橡膠管彈性及其自身摩擦對驅動模型的影響，并應用于五連桿并聯機構，通過剛度調節實現柔順控制。
上海交通大學的田社平等運用零極點配置自適應預測控制、非線性逆系統控制以及基于神經網絡方法，實現單自由度關節的快速、高精度位置控制。
哈爾濱工業大學的王祖溫等分析了氣動肌肉結構參數對性能的影響、氣動肌肉的靜動態剛度特性以及與生物肌肉的比較，提出將氣動肌肉等效為變剛度彈簧，設計了氣動肌肉驅動的具有4 自由度的仿人手臂、外骨骼式力反饋數據手套和6 足機器人，采用輸入整形法解決關節階躍響應殘余震蕩問題。
北京理工大學的彭光正等先后進行了單根人工肌肉、單個運動關節以及3 自由度球面并聯機器人的位置及力控制，采用了模糊控制、神經網絡等多種智能控制算法，并設計了6 足爬行機器人和17 自由度仿人五指靈巧手。
哈爾濱工業大學氣動中心的隋立明博士也通過實驗得到了氣動人工肌肉的一個更簡潔的修正模型和經驗公式并對兩根氣動人工肌肉組成的一個簡單關節系統進行實驗建模和采用位置閉環的控制方法進一步驗證氣動人工肌肉的模型。
上海交通大學的林良明也對氣動人工肌肉的軌跡學習控制進行了仿真研究給出了學習的收斂性的初步結論為下一步的學習控制奠定了基礎。其中田社平通過對氣動人工肌肉收縮在頻率域上的數學模型并對它的結構及其靜動態特性進行了理論分析建立了相應的靜態力學方程。
2003年付大鵬等，以機械手抓取物體為分析對象，采用矩陣法來描述機械手的運動學和動力學問題，以四階方陣變換三維空間點的齊次坐標為基礎，將運動、變換和映射與矩陣計算聯系起來建立了機械手的運動數學模型，并提出了機械手運動系統優化設計的新方法，這種方法對機械手的精密設計和計算具有普遍適用意義。
2005年車仁煒，呂廣明，陸念力對5自由度的康復機械手進行了動力學分析，將等效有限元的方法應用到開式的5自由度的康復機械手的動力分析中，這種方法比傳統的分析方法建模效率高、簡單快捷，極其適合現代計算機的發展，的除了機械臂的動力響應曲線，為機械手的優化設計及控制提供理論依據。
2008年北京聯合大學張麗霞，楊成志根據拿取非規則物品的任務要求，采用轉動機構和連桿機構相結合，設計了五指型機器手，手指彎曲電機與指間平衡電機耦合驅動，實現了機器手的多角度張開、抓握運動方式,對實用型仿人機器手的機構設計有參考意義。
2009年楊玉維等人對輪式懸架移動2連桿柔性機械手進行了動力學研究與仿真，。采用經典瑞利.里茲法和浮動坐標法描述機械手彈性變形與參考運動間的動力學耦合問題， 綜合利用拉格朗日原理和牛頓.歐拉方程并在笛卡爾坐標系下，以矩陣、矢量簡潔的形式構建了該移動柔性機械手系統的完整動力學模型并進行仿真。
2009年羅志增，顧培民研究設計了一種單電機驅動多指多關節機械手，能夠很好的實現靈巧、穩妥的抓取物體，這個機械手共有4指12個關節。每個手指有3個指節，由兩個平行四邊形的指節結構確保手指末端做平移運動，這種設計方案很好的實現了控制簡單、抓握可靠的目的。
從目前來看，國內對氣動人工肌肉的研究仍處于剛起步的階段。有關氣動人工肌肉的研究與國外還有相當的差距對氣動人工肌肉中的許多問題，還沒有進行深入的研究。此外，采用氣動人工肌肉作為機器人驅動器的研究還不成熟。
三、 主要研究內容和解決的主要問題
目前大多數手功能康復設備存在以下一些問題:康復訓練過程中，缺乏對關節位置、關節速度的觀測和康復力的柔順控制，安全性能有待提高;大多數手功能康復設備沒有拇指的參與;感知功能差，對康復治療過程的力位信息和康復效果不能建立起有效地評價。為此，課題主要研究內容：設計一種結構簡單，易于穿戴，并且安全、柔順、低成本，使用方便的氣動手功能康復設備。對氣動手指康復系統進行機構運動學分析、用mat lab軟件對康復訓練機器人的康復治療過程的力位信息進行仿真分析。
要實現上述的目標，系統中需要著重解決的關鍵技術有：
(1)基于已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分的設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。 主要包括：人手部的手指彎曲抓握動作分析，氣壓驅動關節機構自由度的優化配置。使機械手能夠實現手指的彎曲、物體的抓握等手部癱瘓患者不能實現的動作。
(2)對機器人機械機構的運動學分析。主要包括：氣壓驅動的手指關節外骨骼機械機構的運動學分析。
(3)機器人機構的力位信息仿真。主要包括：用mat lab軟件進行機器人氣壓驅動終端的力位信息 仿真。
根據總體方案設計以及工作量的要求，外附骨骼機械手系統是上肢康復訓練機器人的一部分，本文主要是研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。
四、論文工作計劃與方案
論文工作計劃安排：
2010年9月——2011年6月準備課題階段：
主要工作：學習當今最先進的機器人設計技術;學習用matlab軟件進行計算仿真及優化，查閱國內外的資料，對康復機械手作初步了解。
2011年7月——2011年9月課題前期階段
主要工作：課題方案設計，擬寫開題報告，開題。
2011年10月——2012年7月課題中期階段
主要工作：開始具體課題研究工作，根據已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構部分設計，對手指康復訓練方法分析和提煉。研究手指康復機械系統運動學、動力學分析工作。
2012年8月——2012年12月課題后期階段
主要工作：對手指康復機器人進行模擬仿真，對設計進行優化，并在此基礎上進一步完善課題。
2013年1月——2013年4月結束課題階段
主要工作：整理相關資料，撰寫論文，準備進行畢業論文答辯。
2013年5月——2013年6月論文答辯階段
主要工作方案：
1. 完成學位課與非學位課學習的同時，進行市場調研，對手指康復機械手作初步了解。
2. 查閱資料，了解氣動手指康復機器人的國內外發展現狀。
3. 分析已有上肢康復訓練機器人外骨骼機械手機械結構的部分設計。
4. 對現有手指康復訓練方法設計進行分析和提煉，分析其優缺點。
5. 開始具體設計工作。
