Temperature Modeling in a Total Knee Joint Replacement Using Patient-Specific Kinematics

This paper reports the implementation of a computer modeling approach that uses fluoroscopically measured motions of total knee replacements as inputs and predicts patient-specific implant temperature rises using computationally efficient dynamic contact and thermal analyses. The multibody dynamic simulations of two activities (gait and stair) were generated from the fluoroscopic data to predict contact pressure and slip velocity time histories for individual elements on the tibial insert surface. These time histories were used in a computational thermal analysis to predict average steady-state temperature rise due to frictional heating on each element. For the standard condition, which assumes an ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) tibial component and cobalt-chrome femoral component, 1Hz activity frequency, friction coefficient of = 0.06, and convective heat transfer coefficient of h = 30 (W/(m²·K)), the predicted maximum temperature rise on the medial compartment was 9.1 and 14°C for continuous activities of gait and stair respectively. The sensitivity of the temperature rise to activity rate, heat partitioning to the femoral component, and convective heat transfer coefficient was explored. The model is extremely sensitive to the thermal properties of the femoral component and predicts order of magnitude changes in contact temperature with order of magnitude changes in thermal conductivity. A survey of thermal conductivity for current and proposed scratch resistant femoral component implant materials shows variations greater than an order of magnitude.     

一种新型的三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节的设计

在总结了机器人各种关节的基础上，提出了一种新型的三自由度垂直相交运动解耦液压伺服关节的设计方案，阐述了其工作原理，并对其进行了优化设计，给出了该关节的优化设计参数，根据优化的参数设计了该关节（以X轴运动为例）的具体结构，最后总结了该关节的特点。     

联合全资产可视化系统设计与试验

以联合全资产可视化为背景,针对军队在运资产物流数据不可视的难题,设计并开发了射频识别系统。利用AT89C2051和nRF905为主要芯片,设计并实现了有源RFID系统,对有源RFID系统中的硬件构成和关键通信程序作了详细介绍,并通过试验有源RFID系统作了测试和分析,系统在视距100m范围内,可对<80km/h速度移动的电子标签进行正确读写。整个射频识别系统能够满足军队物流的需求,在联合全资产可视化系统中有着较好的应用前景。     

新型过约束球面并联式关节机构仿生设计

以3-RRR三自由度球面并联机构为原型,在其静力学及刚度特性分析基础之上,从仿生学角度出发,采用植入中心球面副的方式,提出了两种改进的可应用于人形机器人肩关节、髋关节的过约束四支链仿生关节机构,并实现了静力全部或部分卸载及刚度均衡。对引入的机构中心球面副进行结构改进,大幅扩大了机构实际工作空间。新型仿生关节机构的提出及其结构设计对人形机器人关节的研制具有理论指导意义和实际应用价值。     

一种新型棱镜型双通道光纤旋转连接器的设计

目的：光纤通信技术提高了信息传输的速率和容量,目前它已成为一种主要的信息传输技术。在某些信号旋转传输的特定场合中需要使用以光信号传输为基础的光纤旋转连接技术。光纤旋转连接器因其具有传输容量大、体积小、重量轻以及良好的电磁兼容特性等优点而被广泛研究和应用。方法：本文分析了棱镜型多通道光纤旋转连接器的结构及原理,对解旋转机制进行了分析,并由此设计了一种新型的方双柱面解旋转棱镜结构的双通道光纤旋转连接器。结果：通过对该结构的光纤旋转连接器的耦合特性分析,结果表明其损耗主要由机械误差和解旋转棱镜球差所产生,数值模拟结果表明该结构的光纤旋转连接器的插入损耗可低于2.0dB。结论：这一性能完全能满足雷达等相关军事装备对其应用的要求,具有广泛的应用前景。     

基于改进PYR型全方位关节的7自由度仿人手臂设计

在总结７自由度仿人手臂机器人设计与研制经验的基础上,针对ＰＹＲ关节刚度对机器人精度影响,以及关节结构优化设计问题,提出用实现关节力封闭的刚度保证器提高关节刚度,通过改进齿轮结构实现进一步小型化。从而实现ＰＹＲ型全方位关节高刚度、小型化设计。基于该关节给出７自由度仿人手臂机器人设计。     

结构/机构可靠性实验中柔性模拟接头的设计方法研究

接头的柔性对结构 /机构可靠性实验结果有很大影响。针对此问题提出了一种用组合弹簧来模拟接头柔性的柔性模拟接头的设计方法 ,给出了柔性模拟接头参数化设计的计算方法 ;结合理论方法 ,开发了能够计算给定载荷和位移条件下柔性模拟接头参数的应用软件 ,实验算例说明了该方法的可行性     

一种新型高速旋转接头结构的设计

针对传统旋转接头工作转速低、适应工况范围小,且在高压力下,密封装置易被腐蚀、密封不可靠、使用寿命短等缺陷,对其整体结构进行重新设计。设计的旋转接头结构采用组合密封结构,保证旋转接头结构能在高压力、高转速的工况下平稳运行;将O型密封圈设计在接头最前端,防止介质与轴承等零件接触造成的腐蚀;采用自润滑滑动轴承与平面滚动轴承相结合的方式,解决零件因受摩擦力和受压后推力产生的卡涩现象; 采用PTFE密封材料,延长旋转接头的使用寿命。     

一种雷达双路波导交连的设计

双路波导交连主要是将两路矩形波导变换成两路同轴波导再变换回两路矩形波导。文中主要论述了某双波段相控阵雷达波导交连的关键技术及实现方法。借助微波电磁仿真软件HFSS,对Ku波段和C波段双路交连进行了仿真设计,理论上拓宽了双路交连的工作带宽。通过热设计仿真手段,得到交连内部的温度场、最高温度及其所在位置,验证了交连工作过程中不会出现高温打火失效情况。对试制样机进行了实验测试,结果表明电性能满足设计要求。     

机器人一体化关节性能测试系统的设计与实现

为验证机器人一体化关节的性能是否达到指标要求,设计并实现了一体化关节性能测试试验平台。在该平台上可以实现对关节输出力矩、运动位置精度和速度性能等关键性能参数的标定。并对此试验平台的结构特性及精度进行了分析,得到系统结构的模态和谐响应振动数据,考察了结构变形对测试精度的影响。最终对一体化关节进行性能测试,得到机器人一体化关节输出力矩及运动精度等关键性能指标。     

某搜索雷达水铰链的设计改进

文中针对某型号搜索雷达水铰链在使用过程中存在的动密封补偿量小、质量稳定性差引起的渗漏问题,提出了一种新颖的机械密封结构形式。基于该结构现有的轴向高度和接口,对密封方式、流道设计和弹性元件等进行了全新的设计改进,并指出了改进的关键技术。经过长时间的试验验证和工程应用,从未发生渗漏。试验后拆开密封件,密封端面基本无磨损,能满足使用寿命要求,证明了改进措施的有效性,可以在高转速搜索雷达中推广应用。     

基于变胞铰链的并联机构结构设计与构型分析

为了拓展变胞机构的种类,提出了一种变胞运动单元,该变胞单元采用三个旋转关节,并且三个旋转关节可以通过位置调节形成等效球铰、虎克铰以及转动副。与传统的锁定运动副来实现变胞功能的变胞单元相比,此变胞单元三种构型的切换只需对轴线位置调整,无需额外增加关节锁死电机。通过研究由线矢量构成的螺旋系统的相关性,揭示了变胞运动单元构态变化的基本原理。提出了可用于构造新型变胞并联机构的支链构型设计方法,并基于螺旋的互易性分析了各支链构型所必须满足的几何约束条件。提出了两种变胞并联机构,通过不同的支链装配形式可将其从6自由度构型转换为3自由度构型,并对支链安装形式进行改进,构造出了具有3自由度平移模式和3自由度转动模式的并联机构。对变胞支链作为中心支链组装而成的并联机构的构型及对应的运动类型进行了分析,获得了六种不同构型的并联机构。     

一种旋转型机器人柔性关节设计与分析

通过对人类膝关节柔性产生机理研究,仿照动物关节肌肉-肌腱组织设计出一种适用于电机驱动的旋转型柔性关节。通过研究对比旋转型SEA（series elastic actuator）与直线型SEA机构特点,提出一种由8个压缩弹簧协同组成的柔性输出机构,并建立柔性输出机构刚度模型,确立了弹性元件参数与柔性关节等效刚度的数学关系。在此基础上,对柔性关节整体进行紧凑化设计,电机、减速器、柔性输出机构集中安装于关节部位,使柔性关节模块化、通用性强。通过对该柔性关节软件仿真及关节样机测试,验证了关节抗冲击能力和柔性输出能力可以满足柔性关节型机器人对柔性关节的应用需求。     

井下开窗工具万向节设计与分析

套管开窗是连续油管径向射流技术实现的前提.万向节是关于径向射流技术井下开窗工具的重要部分.万向节的功能特性直接影响着套管开窗技术的成功.文中分析万向节的受力情况,得出其在设计过程中应满足的几何参数和结构参数条件.通过ANSYSWORKBENCH软件对万向节叉和十字轴进行有限元分析,找出应力集中易损坏的部位,改变设计参数并且进行圆弧曲线处理,减少应力集中现象,增加万向节强度.选择合适的十字轴,以实现良好的开窗效果.     

机械动密封水铰链设计及其有限元分析

文中针对某机械动密封、自动补偿水铰链的技术指标要求,结合该水铰链的组成原理、密封形式、关键技术,计算得出有关参数.运用Pro/E软件建立其三维模型,并导入ANSYS软件进行有限元仿真分析,仿真结果为该水铰链的结构设计及优化设计提供了参考依据.     

The Topic of Contact Zone Problems in the Shaft and Hole Joint, Taking into Account Component Form Errors

In assemblies constructed from components manufactured with radial deviations, cross-section deviations and deviations being combination of both, there occur variable values of local stresses and displacements. Both the types of shape deviations and their values need to be taken into account in the designing process and play an important role during machine operation. They have a crucial effect on the value and scatter of maximum reduced von Mises stresses and contact stresses. Axisymmetric joints were examined, in which shafts in selected shape variants and in variable angular positions were associated with a non-deformable hole. The aspects of contact zone problems are presented using the example of numerical simulation of contact between an elliptical saddle-shaped shaft placed in a rigid, non-deformable hole in different angular positions. Occurrence of both variable relative stresses and contact stresses as well as shaft＇s axial shift and rotary movement resistance were demonstrated.     

Investigation of the Mechanical Behavior of a Thin Composite Stiffened Skin with a Combined Joint

Many joint models available to predict secondary bending moments in the structure have a stiffness mismatch, while this type of structure widely used in aircraft. To determine how to represent a structure with a stiffness mismatch in a combined joint （bonded/riveted）, a non-linear finite element analysis was performed. The detailed validation of this analysis identified the composite stiffened skin as the most suitable model in three dimensions. The use of this model for validating the secondary bending moment to calculate the behavior of the stiffener edge is straightforward and reliable. Experiments were performed to determine the distribution of the load in a combined joint under a tensile load that creates a secondary bending moment in a structure with a stiffness mismatch. The influence of related joint design considerations on the load transferred by the joint were examined through a finite element parameter analysis. The results are compared to determine best approach to predict the mechanical behavior at the edge of the stiffener. A close agreement between the finite element analysis and experimental results was obtained. Test observations using a C-scan compared well with the predictions of the onset of crack growth.     

基于MATLAB与SolidWorks联合建模的渐开线圆柱直齿轮接触特性仿真分析

通过渐开线直齿轮齿廓方程在MATLAB中构建出渐开线直齿轮的点云模型生成精确地齿廓,将点云数据导入到SolidWorks中构建出齿廓精确的渐开线直齿轮副的三维模型;然后对渐开线直齿轮副进行理论接触应力计算,并对联合建模的齿轮副与参数化建模的齿轮副进行接触应力的有限元仿真分析和动力学仿真分析结果进行对比.结果表明:联合建...     

基于模块属性组合的产品族主从关联设计

可选模块需要在必选模块的基础上进行配置,同时最优的必选模块配置也是依赖于可选模块配置的。为解决产品设计中属于不同层次结构的两类模块设计问题,在主从模型中引入0-1变量,实现了对模块属性档级的选择,以制造商成本和客户效用的比值及产品族通用性指数作为上层目标,以产品可选属性效用最大化作为下层目标,实现了两类模块的优化组合。最后用自行车产品族案例验证了该方法的可行性和有效性。     

基于3-RRP并联机构的腕关节设计与分析

针对球面3-RRP并联机构的理论分析不足以致运动学与动力学特性不明确的问题,设计了该构型的具体结构,分析了其运动学传递约束与驱动力矩特性。根据关于位置反解的Panda-Kahan理论,明确了灵活姿态空间与可达姿态空间的分布情况。基于旋量互易积,建立了关节的运动传递与约束能效系数。在此基础上,应用多参数平面模型技术,进一步揭示了参数尺度、姿态空间、性能指标之间的耦合关系,从而确定了参数取值,明晰了优质姿态空间范围和性能指标分布趋势。并基于虚功原理,建立了动力学模型,定性分析了驱动力矩特性。研究结果表明：该腕关节机构兼具机构紧凑、姿态空间大、完全的运动约束性能与优秀的运动传递性能、大负载重量比的特点,符合人体腕关节功能特性。