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Volume 1 • Issue 1 • • Pages 1 -158
新闻和焦点
观点和评述
研究型文章
封面介绍
全选: 全部摘要 缩略图
让工程科技造福人类、创造未来
习近平
Engineering . 2015, 1 (1): 1 -3 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015001
摘要   PDF (1185KB)
 
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科学的融合与可持续发展
博科娃伊琳娜
Engineering . 2015, 1 (1): 4 -5 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015002
摘要   PDF (1585KB)
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创刊词
徐匡迪
Engineering . 2015, 1 (1): 6 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015003
摘要   PDF (692KB)
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新闻和焦点
中国高铁的自主创新
中华人民共和国科学技术部
Engineering . 2015, 1 (1): 9 -10 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015023
摘要   PDF (1047KB)
 
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三峡工程
中国国务院三峡工程建设委员会办公室
Engineering . 2015, 1 (1): 11 -13 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015022
摘要   PDF (4151KB)
 
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发展超级杂交水稻,保障国家粮食安全
袁隆平
Engineering . 2015, 1 (1): 13 -14 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015021
摘要   PDF (1286KB)
 
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致力于血管内光学相干成像术的NiA微电机导管
Wang Tianshi, van Soest Gijs, van der Steen Antonius F. W.
Engineering . 2015, 1 (1): 15 -17 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015018
摘要   PDF (1100KB)

我们研发了一种新型的血管内光学相干成像术(IV-OCT),该技术能极其快速地实现冠状动脉成像,并通过消除心脏运动伪影和欠采样以实现图像的更高质量。它所依赖的成像探头包括一个直径为1.0 mm 且转速为5600 rev·s–1的同步微电机,使IV-OCT 的帧频达到5.6 kHz,并使用每秒产生280 万图像扫描线的波长扫描激光器。通过使用该设备,我们团队在设置速度为100 mm·s–1时实现了体外5600 fps 和体内4000 fps 的成像速度。由实验对象的心电图触发整个图像采集过程,当心脏在跳动过程中相对不强烈时扫描冠状动脉,因此该技术还有一个新名字,“心动光学相干成像术”(Heartbeat OCT)。

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观点和评述
走向白金社会:工程科学面临的挑战
Komiyama Hiroshi
Engineering . 2015, 1 (1): 18 -20 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015019
摘要   PDF (1492KB)
 
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评论——Erasmus大学Thoraxcenter生物医疗工程系的最新成果
van Ee Bertrand
Engineering . 2015, 1 (1): 20 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015020
摘要   PDF (851KB)
 
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研究型文章
磁控螺旋形微纳米机器人在生物医学方面的应用
邱发敏, Nelson Bradley J.
Engineering . 2015, 1 (1): 21 -26 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015005
摘要   PDF (3873KB)

磁控螺旋形微纳米机器人可在低强度旋转磁场(<10 mT)的驱动下,实现亚微米精度的三维(3D)游动。由于低强度磁场对细胞和组织无害,磁控螺旋形微纳米机器人在生物医学方面有很大的应用前景,如微创手术、细胞操作和分析以及靶向治疗。本文系统介绍了磁控螺旋形微纳米机器人的制造方法、运动控制和生物医学应用。

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助老服务机器人系统设计及软件架构
Hendrich Norman, Bistry Hannes, 张建伟
Engineering . 2015, 1 (1): 27 -35 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015007
摘要   PDF (8114KB)

将智能人居辅助环境系统与服务机器人技术相结合,可以有效帮助老年人进行很多日常活动,有利于老年人获得更加良好的生活状态。本文概述了欧盟项目Robot-Era开发的智能人居辅助环境(AAL)系统,并重点阐述了系统中具有室内移动及物品操作能力的机器人的工程实现方法以及软件架构。该系统基于机器人操作系统(ROS)对大量先进的导航定位、环境感知以及操作控制算法进行集成,并通过实验对机器人的性能和实际应用效果进行验证。

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美国国防部先进研究项目局举办的机器人大挑战赛的参与和崎岖地面行走的滑雪式步态
王宏飞, 李诗濛, 郑元芳
Engineering . 2015, 1 (1): 36 -45 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015006
摘要   PDF (2440KB)

本文简要介绍了美国国防部先进研究项目局举办的机器人大挑战赛的历史,并将关注的焦点放在了2012机器人挑战赛上。作为该挑战赛DRC-HUBO队的成员,我们为完成崎岖地面的任务提出了不同的方法,如增大脚踏板、转换成四足行走等。同时,本文还介绍了一种帮助提高仿人机器人运动稳定性的新步态——滑雪式步态。本文对该步态的稳定性进行了分析,并利用稳定度裕量从两种备选的步进顺序(爬行-1和爬行-2)中进行选择。接下来,本文对滑雪式步态中冗余的闭链系统进行力/力矩分析,通过最小化总耗能量来确定关节力矩。根据稳定性分析和力/力矩分析,我们设计了一种手杖长度,使其可以支撑HUBO2仿人机器人平台稳定地实现爬行-2步态。最后,通过将本文的试验结果和两足步行进行对比,验证了滑雪式步态的可行性。同时,介绍了我队在该机器人挑战赛上的表现。

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运动规划的高效配置空间构建与优化
潘佳, Manocha Dinesh
Engineering . 2015, 1 (1): 46 -57 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015009
摘要   PDF (2919KB)

配置空间是算法机器人学领域使用较为广泛的一种基本概念。机器人学、计算机辅助设计与相关领域的诸多应用都可归类为配置空间方面的计算问题。本文将对近期与配置空间相关的两项重大挑战的解决方案成果进行探讨:①如何高效计算高维配置空间的近似表达;②如何在高维配置空间内高效执行几何学接近度与运动规划查询。基于机器学习与几何学近似技术,笔者在此提出几种新型配置空间构建算法。上述算法对多个配置样本进行碰撞查询。得出的碰撞查询结果将用来计算配置空间的近似表达,可快速聚合至准确的配置空间;同时还提出了基于并行图形处理器(GPU)的算法,以便加速配置空间优化与搜索计算的性能情况。笔者特别设计出了基于GPU的并行k最近邻算法与并行碰撞检测算法,并使用这些算法来加快运动规划。

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使用成对机器人分散化搜索多个未知瞬时射电源
Kim Chang-Young, 宋德臻, Yi Jingang, 吴新宇
Engineering . 2015, 1 (1): 58 -65 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015010
摘要   PDF (1690KB)

我们开发了一种分散化算法,来协调一组移动机器人搜索未知瞬时射电源。除了移动能力和通信及传感范围有限,机器人团队还必须应对信号源匿名性、短暂的传输时间和可变的发射功率带来的挑战。我们提出了一种两步式方法:首先,基于检查站的同步功能,对机器人用于追踪信号源位置的可信度函数进行了分散化;其次,提出了一种用于协调机器人的分散化规划策略,以确保存在检查站。我们分析了该算法的内存使用情况、通信数据量和搜索时间。实现了该算法,并将其与其他两种探索式算法进行了比较。实验结果显示,在三种算法中,分散化算法用最少的内存换来了最快的搜索时间。

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振动驱动的微型机器人非完整约束补偿的定位方法
Vlachos Kostas, Papadimitriou Dimitris, Papadopoulos Evangelos
Engineering . 2015, 1 (1): 66 -72 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015016
摘要   PDF (3430KB)

本文提出了一种微型移动机器人非完整约束补偿的定位方法,推导了相关公式并进行了实际操作。该移动机器人由两台振动型直流微型电机驱动。本文所描述的开环法和闭环法增加了微型机器人平台侧向净位移的能力,这是通过执行若干重复步骤来实现的,这些步骤与期望位置、速度和时间相关。仿真和试验结果验证了所述方法的有效性。

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面向机器人微创手术的新型遥控柔性机器人
李峥, Feiling Jan, 任洪亮, Yu Haoyong
Engineering . 2015, 1 (1): 73 -78 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015011
摘要   PDF (3530KB)

本文介绍了基于约束型蛇形拉线机构(CTSM)的新型柔性机器人系统。与达芬奇外科手术机器人和传统柔性机器人相比,基于CTSM的机器人具有更大的工作空间,更高的灵巧度以及刚度可控的优点。该机器人采用Novint Falcon触觉设备进行远程操控, 包括两种操作模式——直接映射模式和增量模式。在每一种模式下,该机器人都可以采用“最大刚度”方案或“最小运动”方案来操控。CTSM的以上优点在仿真模拟和实验中均得以验证。

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通过行为足迹学习人类习惯的个性化服务机器人
李坤, Meng Max Q.-H.
Engineering . 2015, 1 (1): 79 -84 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015024
摘要   PDF (1714KB)

对家用的私人机器人来说,个性化服务和预先设计的任务同样重要,因为机器人需要根据操作者的习惯调整住宅状况。为了学习由诱因、行为和回报构成的操作者习惯,本文介绍了行为足迹,以描述操作者在家中的行为,并运用逆向增强学习技巧提取用回报函数代表的操作者习惯。本文用一个移动机器人调节室内温度,来实施这个方法,并把该方法和记录操作者所有诱因和行为的基准办法相比较。结果显示,提出的方法可以使机器人准确揭示操作者习惯,并相应地调节环境状况。

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增材制造(3D打印)发展趋势
卢秉恒, 李涤尘, 田小永
Engineering . 2015, 1 (1): 85 -89 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015012
摘要   PDF (241KB)

增材制造又称为3D打印,在过去30年间取得了快速发展并展示出前所未有的发展潜力。同时,这项发展潜力巨大的技术对传统工业也产生了不可估量的影响。3D打印技术将会推动生产模式的变革,通过实现5个“任意”的工艺发展,将会为制造行业带来一个以定制化制造为特征的新时代。3D打印的技术进步及其与传统制造工艺的融合,将推动制造业在材料研发、产品设计、生产工艺等方面进一步创新发展。最终,3D打印技术将与等材制造、减材制造形成三足鼎立局面,共同分享整个社会的制造业价值。

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组织工程和给药技术中的三维光制造
Pereira Rúben F., Bártolo Paulo J.
Engineering . 2015, 1 (1): 90 -112 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015015
摘要   PDF (13414KB)

组织工程中最有前景的方法就是将生物材料、细胞和生物活性分子结合加入人工的模拟环境,用以准确地模拟人体组织修复环境,并刺激组织修复和再生。这个环境必须在细胞或亚细胞尺度上模拟出尽可能接近原生细胞外基质的主要特性,只有这样此方法才会在临床应用上有效。光制造技术通过多层工艺,如对光敏预聚物的选区光交联反应,构建包含精确结构和多相材料组合的环境。细胞和治疗分子可以包含在初始水凝胶前体的溶液中,并加工成三维(3D)结构。近来,光制造也已被开发用来动态调节水凝胶的实时特性,加强控制细胞寿命和生物活性物质的传递。本文聚焦于利用3D光制造技术为组织再生和给药技术生产先进结构的相关研究,同时介绍了目前最先进的光制造技术,重点放在控制细胞生物活性因子分布形式的工作原理和生物制造方法上。因光制造技术具有工艺快速、时空控制、高分辨率和高精度等特性,故其在复杂的3D结构设计中扮演着重要角色。这种技术同样能够为组织再生构建适当的环境,并可调节治疗方法的实施状况。

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陶瓷喷墨打印增材制造技术
Derby Brian
Engineering . 2015, 1 (1): 113 -123 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015014
摘要   PDF (2218KB)

陶瓷喷墨打印是一种基于微滴累加的成形技术,典型的微滴体积为10~100 pL。实现微滴累加成形的关键是开发稳定的陶瓷墨水,合适的墨水需要满足由雷诺数和韦伯数定义的流变特性参数空间。在微滴累加成形过程中,微滴首先与成形面碰撞变形并消耗动能,然后在毛细管力作用下铺展并达到平衡状态。已经可以确定的是打印过程中微滴相互作用并形成一维线性特征的机理,但是对二维和三维结构成形机理的认识还处于较低水平,成形二维面的稳定性低于成形一维线性结构。多数情况下,墨水通过蒸发固化,微滴碰撞基体所产生的“咖啡环”缺陷需要通过固化工艺加以控制。已经有大量文献报道了使用喷墨打印技术成形各种类型小型陶瓷零件的成功案例。作为一种未来的制造技术,陶瓷喷墨打印技术有广阔的应用前景。本综述的目的是探索陶瓷喷墨打印技术未来潜在的研究领域,加强对这种制造方法的理解。

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双金属电子束选区熔化的硬件开发与成形实验
郭超, 葛文君, 林峰
Engineering . 2015, 1 (1): 124 -130 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015013
摘要   PDF (9569KB)

电子束选区熔化(EBSM)是一种利用电子束扫描、熔化金属粉末逐层制造三维实体零件的增材制造技术。近年来,EBSM已经成功应用于多种材料的增材制造。现有EBSM工艺方面的研究主要聚焦于单种材料的成形,本研究提出一种能够利用两种粉末材料成形梯度结构的EBSM工艺,提出基于振动的粉末供给方法,并实现了两种粉末材料独立供给并混合。利用Ti6Al4V和Ti47Al2Cr2Nb两种材料进行成形。Ti6Al4V在室温下有很好的强度与塑性,而Ti47Al2Cr2Nb在高温下性能优良,但有很大的室温脆性。本研究提出的双金属EBSM工艺成功制备了Ti6Al4V/Ti47Al2Cr2Nb梯度结构,并利用光学显微镜、扫描电子显微镜、电子微探针分析等方法研究了该梯度结构的微观组织和化学成分。结果显示,梯度结构的截面厚度约为300 μm,没有裂纹,化学成分在界面处呈阶梯式变化。

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海洋结构:未来趋势和高校的角色
Pedersen Preben Terndrup
Engineering . 2015, 1 (1): 131 -138 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015004
摘要   PDF (8482KB)

本文强调未来海洋结构发展的挑战和趋势,集中讨论了提高耗能船舶效率的途径及近海油气生产设施设计面临的挑战,也讨论了未来船舶和海洋结构可持续设计所最需的分析工具,最后是对大学在海洋结构领域的教育、研究和创新中应有作用的思考,并讨论了海洋科技教育、基础研究活动和国际合作等方面的课程要求。

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富氧燃烧技术兼容性设计理念的基础研究与技术挑战
郑楚光, 柳朝晖, 向军, 张立麒, 张世红, 罗聪, 赵永椿
Engineering . 2015, 1 (1): 139 -149 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015008
摘要   PDF (5215KB)

富氧燃烧技术是一项颇具潜力的燃煤电站大规模CO2减排的CO2捕集与存储(CCS)新技术。以华中科技大学等为代表的中国若干高校和企业已经在该技术从0.4 MWth到35 MWth规模的试验平台上取得了较大进展,200 MWth商业化示范工程的可行性研究也已顺利完成。中国富氧燃烧技术的研发示范进展已经被纳入全球富氧燃烧技术路线图的重要进程。空气燃烧/富氧燃烧的兼容性设计是示范路线图的重要部分,针对富氧燃烧技术的一些挑战,本文简明阐述了该技术的基础研究与技术创新,包含稳燃、传热、系统运行、矿物演变、腐蚀特性等研究;为了进一步降低碳捕集的成本以及部署大规模应用,本文也简述了下一代新型富氧燃烧技术,包括新型制氧技术和无焰富氧燃烧技术。

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工业废料与天然矿物矿化利用二氧化碳的基础科学与工程应用研究
谢和平, 岳海荣, 朱家骅, 梁斌, 李春, 王昱飞, 谢凌志, 周向葛
Engineering . 2015, 1 (1): 150 -157 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015017
摘要   PDF (4777KB)

二氧化碳捕集利用、合理开发自然矿产资源和妥善处理工业废料等热点问题是能源和环境可持续发展面临的重大挑战。本文以二氧化碳矿化利用技术的基础科学、经济评估与工程应用研究为重点,总结了采用天然矿物与工业废料矿化利用二氧化碳技术路线的最新研究进展。从基础科学研究与工程应用科学的视角讨论了几种代表性的大规模矿化利用二氧化碳的工艺技术,并对每项技术的工艺技术参数、反应基本原理与过程强化、工艺流程和试验性示范装置等进行了介绍。同时,基于试验研究结果和文献报道对每项技术进行了经济型讨论与评估,在结论部分提出了当前面临的技术瓶颈,并对未来在此研究领域面临的机遇与挑战进行了展望。

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主编寄语
钟志华,Reddy Raj
Engineering . 2015, 1 (1): 158 .   DOI: 10.15302/J-ENG-2015025
摘要   PDF (638KB)
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国内刊号:CN10-1244/N    国际刊号:ISSN2095-8099
版权所有 © 2015 高等教育出版社  《中国工程科学》杂志社
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