为了准确地确定产品人机工程问题，以提升人机交互性能，运用TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc，发明问题解决理论）提出了基于功能表面驱动与可拓工具的冲突区域确定方法。首先，利用功能表面改进功能过程模型，识别人机工程问题的初始问题功能元，并结合可拓表达和相关分析完成初始问题功能元的转换及最终问题功能元的确定。然后，利用功能表面改进功能关系模型，识别产品的初始冲突区域，并结合可拓表达、相关分析、蕴含分析和优度评价完成初始冲突区域的转换及最终冲突区域的确定。最后，利用标准解对冲突区域中的不良作用进行求解，并通过优度评价完成方案的评价和筛选。通过割草机改进设计实例验证了所提出方法的可行性。研究表明，该方法有助于交互式产品冲突区域的确定，提高了其人机工程问题的解决效率。

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题，基于人手指弯曲抓握的运动特点，设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵，通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响，确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸，研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联，分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系，确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器；建立了柔性执行器的力学模型，对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验，得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系，证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致，理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成，使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形，实现了柔性弯曲执行器的可携带性。

在汽车生产环节进行数字建模、系统仿真与优化对提升汽车的生产质量和效率具有重要意义。为了解决目前汽车制造企业普遍存在的因数据链断裂而导致的资源配置效率低下等难题，以汽车涂装车身缓存区（painted body storage，PBS）为研究对象，提出了一种新型的数字底座平台，来实现数据链整合和多源异构数据融合。同时，设计了一种针对PBS的车身调序策略，考虑了总装工艺对车序优化的约束，采用遗传算法获得了PBS出车序列，然后以逆序数对为参考指标，进行PBS车道排布。将基于数字底座的PBS系统应用于某汽车制造企业，应用效果验证了所提出方法和策略的有效性。研究结果为企业构建内部集成制造平台和设计具体车间单元提供了参考。

为了解决爬壁机器人壁面适应能力差、运动灵活性低等问题，分析了现有爬壁机器人磁吸附机构存在的不足，并以轮式爬壁机器人为研究对象，根据爬壁机器人的功能要求，设计了一种壁面自适应悬摆式磁吸附机构。通过Ansoft软件对悬摆式磁吸附机构和传统磁吸附轮进行了对比分析。为了进一步减小磁吸附机构的质量，同时提高其吸附可靠性，基于高磁能利用率的目标，采用SNLP（sequential non-linear programming，连续非线性规划）算法对悬摆式磁吸附机构的结构参数进行优化，优化后磁吸附机构的吸附力增大了25.52%。研制了悬摆式磁吸附车轮样机，开展了吸附力测试实验和卸磁实验，并将其安装在爬壁机器人上，开展了运动性能测试实验，验证了磁吸附机构结构参数优化结果的合理性和结构设计的实用性。研究结果为提高爬壁机器人的工作性能提供了参考。

运用联合仿真的方法能够实时分析柱塞泵的运动学、动力学性能以及液压系统特性，其可广泛应用于柱塞泵产品的设计与优化。针对传统优化过程中分析与优化的离散化、效率低等不足，提出了一种基于功能模型接口（functional mock-up interface，FMI）的轴向柱塞泵分布式联合仿真方法，通过开发自动优化组件，实现对阻尼槽结构参数的迭代优化。首先，进行柱塞泵轴系运动学、动力学分析，建立其运动模型和受力模型，来确定轴系组件的约束关系；其次，搭建了柱塞泵联合仿真模型，研究了柱塞的运动、受力和变形特性；然后，基于云端服务器搭建了柱塞泵分布式联合仿真模型，通过FMI技术实现了各个仿真软件的同步调用；最后，基于云平台架构，开发了柱塞泵阻尼槽优化设计模板，实现了对阻尼槽最优结构参数的求解及其模型自动创建。仿真结果表明，阻尼槽结构优化后，柱塞泵出口流量脉动率降低了35.78%。所提出的方法能有效提高仿真与优化的效率，减轻研发人员的工作负担。

针对大转动惯量碳纤维缠绕机的加速和减速阶段运行不平稳、传动件易失效破坏等问题，提出了一种基于改进型Sigmoid加减速曲线的主轴运行曲线优化方案。首先，利用五次多项式对传统Sigmoid加减速曲线的跃变处进行补偿，以约束曲线起始点、衔接点、终止点的速度、加速度和急动度（加加速度）。然后，基于改进曲线的速度与加速度函数建立缠绕机的负载扭矩、电机输出功率、主轴强度与刚度以及缠绕圈数的数学模型，并以各阶段运行时长为设计变量、以电机最大输出功率最小和总运行时长最短为优化目标对曲线进行多目标优化，根据缠绕圈数、传动件强度与刚度等的约束条件，利用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ，非支配排序遗传算法-Ⅱ）求解模型的非支配解集，并利用比重选取函数选择最优解。最后，通过AMESim-ADAMS联合仿真对比加减速曲线优化前后缠绕机的运行效果。结果表明：优化后缠绕机的总运行时长、最大加速度、最大负载扭矩和最大输出功率分别降低了41.7%，75.8%，75.5%和72.8%，且主轴的运行曲线更加平滑，验证了优化方案的可行性。研究结果为大转动惯量旋转设备的运行不平稳或传动件失效问题提供了一种新的解决思路。

为了保护RFID（radio frequency identification，射频识别）天线，避免其接触外部环境而氧化、腐蚀，以及为了提高产品的防伪性、一体性与美观性，需要将RFID天线放置在产品结构表面或产品内部。为了快速制造这类产品，搭建了一台集成熔融沉积成形（fused deposition modeling, FDM）和直写成形（direct ink writing, DIW）这2种3D打印技术的多材料3D打印机，其可打印面积为220 mm×190 mm。通过ANSYS HFSS仿真软件分析了天线结构与基板结构对RFID天线辐射性能的影响；然后，选取4种RFID天线作为3D打印对象，使用导电银浆和聚乳酸（polylactic acid, PLA）分别作为天线和基板的打印材料，并对天线打印件回波损耗的实测曲线与仿真曲线进行比较。结果显示，4种RFID天线的谐振频率相对于其设计频率915 MHz均向低频方向发生了约185 MHz的偏移。根据天线打印件回波损耗的测量结果，进一步优化天线模型，并打印了一款基板厚度为3 mm、天线臂长为55 mm的内嵌式RFID天线，其满足谐振频率为915 MHz且-10 dB下带宽大于150 MHz的设计要求。研究结果验证了利用多材料3D打印技术一体化打印RFID天线及产品本体的可行性，为RFID天线的快速制造提供了参考，该工艺具有广阔的应用前景。

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题，采用3D打印技术对热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响，获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析，确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据，得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明：随着TPU材料硬度和打印填充率增大，试样的柔性减弱；在4种超弹性模型中，Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果；4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考，为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。

多功能小型机器人具有广阔的应用前景。为满足不同的作业需求，设计了一种小型陆空变形两栖机器人，其既可以实现高效的地面移动，又能通过升空飞行来避开障碍物。该机器人采用双模式设计，地面模式采用两轮驱动的运动设计，飞行模式采用四旋翼飞行设计，2种模式的切换通过机器人倾转机构的支撑、伸展来实现。为了验证机器人的运动性能，首先采用SolidWorks软件建立了机器人整机模型，并对机器人进行运动学建模，推导得到了机器人模式切换过程的运动学方程。然后，对机器人舵机输出进行MATLAB仿真和开展机器人物理样机模式切换实验，得到的输出扭矩仿真结果与实测结果基本一致，其范围为0~250 \mathrm{N}·\mathrm{c}\mathrm{m}。最后，利用机器人物理样机开展地面移动和空中飞行测试，并对其运动过程进行分析，以验证机器人陆空运动及模式切换的稳定性。研究结果验证了所设计机器人的有效性，且其具有较长的续航时间，可为陆空两栖机器人的设计提供参考。

为了解决传统环模模孔疏通中疏通效率低、自动化程度低、易损伤等问题，研发了环模智能定孔疏通装置。设计开发了定孔疏通机械手、下位机软硬件和上位机软。利用高磁导体的铁磁性及漏磁检测原理，将模孔定位疏通模块与霍尔效应检测算法相结合，实现了对堵塞模孔的自动化检测及疏通，提高了模孔定位精度。实验表明，采用环模智能定孔疏通装置，疏通效率可达1 260个/h，模孔刮伤率低于0.15%，装置运行稳定，实现了堵塞环模的自动化定孔疏通。研究结果对金属模孔探测及疏通技术的发展具有一定的参考价值。

针对动态建模误差和不确定性扰动对机械臂末端高精度轨迹跟踪控制的不利影响，提出了一种新型的基于自适应神经网络的机械臂滑模控制策略。该控制策略可分为三部分：自适应神经网络补偿项、切换控制项和等效控制项。自适应神经网络的引入，避免了建模误差和外界未知扰动对机械臂系统的影响，提高了轨迹跟踪精度；切换控制项可使机械臂系统性能在迅速趋近滑模面的同时以很小的速率趋近平衡点，既能保证系统稳定，又能避免系统过于抖振；等效控制项用于对机械臂动力学模型的重力项和哥氏力项进行补偿，实现对模型的线性化处理，保证了系统的控制精度。最后，通过构造Lyapunov函数验证了所设计控制系统的稳定性，并在MATLAB/Simulink环境下和机器人系统工具箱中开展仿真实验和对比实验。结果表明，所提出的控制算法能够在保持机械臂稳定性的同时实现高精度的轨迹跟踪，验证了该控制算法的有效性和优越性。自适应神经网络滑模控制算法可为提高机械臂末端轨迹跟踪精度提供一种解决方案。

在微创手术机器人系统中，传统线驱动式手术器械的偏摆关节与夹持器的转动关节之间存在运动耦合，这会对手术器械的运动精度产生不良影响。为此，提出了一种新型的四自由度线驱动式手术器械，其偏摆关节采用行星齿轮式结构，以实现偏摆关节与夹持器之间的运动解耦。首先，对传统线驱动式手术器械的关节运动耦合问题进行了分析。然后，设计了行星齿轮式转动的偏摆关节，并通过几何理论分析证明了其具有极低的关节耦合性，且钢丝绳在运动过程中的受迫形变量极小；同时，通过标准D-H参数法建立了新型手术器械的正运动学模型，并利用解析法求得了其逆运动学的封闭解。最后，分别使用MATLAB软件的Robotics Toolbox和Simulink环境中搭建的仿真模型对手术器械的正、逆运动学模型的准确性进行了验证，并采用蒙特卡罗法分析了其工作空间。仿真结果表明，所提出的手术器械的结构设计可靠，关节之间的运动耦合性较低，其工作空间能够满足微创外科手术的要求。研究结果可为柔性线驱动式手术器械的结构设计与运动学分析提供参考。

起重机在服役期间长期承受具有不同特征的交变载荷的作用，其结构因疲劳而导致承载能力下降。为了研究在实际工作过程中载荷及应力变化对起重机结构疲劳寿命的影响，首先，利用神经网络对起重机在服役期间的载荷谱进行分析，准确预测其载荷特征，并结合预测的载荷谱及其结构承载特性分析起重机在服役期间的应力—时间历程；其次，利用Miner线性损伤累积理论和线弹性断裂力学法，预测起重机结构关键部位的疲劳寿命；最后，以起重机结构关键部位的疲劳寿命及结构承载能力为约束，建立考虑起重机服役期间载荷特征的优化设计模型，采用智能优化算法在全局范围内搜索最优设计变量组合，获取满足疲劳寿命和承载能力设计要求的起重机结构最佳设计参数。研究结果表明了结构疲劳寿命计算与智能优化算法相结合的方法在起重机结构优化设计中的可行性，为起重机结构的轻量化设计提供了全新的思路。

针对部分工况下塔机负载摆角直接测量困难、系统滑模控制器抖振明显以及控制器参数调节复杂等问题，提出了一种基于改进果蝇优化算法的塔机自适应滑模控制方法。首先，根据拉格朗日方程，得到了塔机单摆系统的动力学模型。然后，设计了线性扩张状态观测器，用于观测塔机负载摆动状态，并将观测结果反馈到自适应滑模控制器中；在构造滑模面时，采用双曲正切函数代替常用的符号函数以增加其连续性，从而减小抖振。最后，改进了果蝇优化算法的寻优策略及搜索半径，并对自适应滑模控制器的参数进行了优化。结果表明，所设计的线性扩张状态观测器跟踪观测塔机负载摆角的收敛速度较快且跟踪误差小于1.3%；经改进果蝇优化算法优化后的自适应滑模控制器不仅对负载摆动有较好的抑制作用，而且具有较强的抗干扰性和鲁棒性。所提出的控制方法可在实现精确定位的同时有效避免塔机负载摆动带来的安全隐患，保障工人的安全和工程的顺利开展。

举高类消防车控制系统复杂，整车操作需要多名操作人员在多个操作位置配合完成，且对操作人员技术水平的要求较高。为此，提出了一种具有语音控制功能的举高类消防车控制系统。在举高类消防车原有控制系统的基础上，增加了自动控制功能、语音控制功能和语音播报功能，以代替常规的手柄及按钮操作方式。其中，语音控制功能即通过语音控制模块识别操作人员的特定语音指令，并通过CAN（controller area network，控制器局域网）总线发送到PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器），而后PLC根据语音指令和消防车状态自动控制消防车动作。当消防车出现状态变化或发生故障时，PLC将语音指令发送至语音播报模块，语音播报模块基于预存的语音信息进行语音播放，以便操作人员接收重要信息。试验结果表明，所设计的举高类消防车控制系统具有可行性，可有效降低操作难度和提高操作效率。该新型控制系统可迅速推广至其他类型的消防车以及相关的工程机械类产品，具有较高的应用价值。

针对复杂地形环境下搜救机器人越障性能的要求，设计了一种轮式搜救机器人的被动地形自适应机构，并对其越障性能进行了分析。首先，在分析传统越障机构的基础上，开展了地形自适应机构的选型，并结合遗传算法对其进行优化，完成了对轮式搜救机器人被动地形自适应机构的设计。然后，基于达朗贝尔原理建立了轮式搜救机器人的动力学模型，并对其越障能力进行了分析与计算。最后，建立轮式搜救机器人的多刚体动力学模型，开展了越障性能仿真，并与理论计算结果进行了对比。对比结果验证了轮式搜救机器人的越障及地形自适应能力。研究结果可为轮式搜救机器人样机的搭建及后续研究的开展提供理论依据。

针对电铲钢丝绳更换效率低下的问题，设计了一种用来更换电铲钢丝绳的机械臂架。以机械臂架末端执行器提取的钢丝绳重力为主要作用载荷，建立了机械臂架动力学模型。利用有限元分析方法、多体动力学分析方法及“弹簧-转子”模型，对臂杆及主要铰接关节进行刚柔耦合动力学分析，研究不同关节刚度对末端执行器动态特性的影响，并根据仿真结果选取各关节较优的刚度，来进一步分析有/无钢丝绳作用对关节角位移和末端执行器位移的影响。结果表明：随着关节刚度系数的增大，关节角位移与全刚体无钢丝绳状态下的偏差逐渐减小，末端执行器的位移逐渐趋近于全刚体无钢丝绳状态；伸缩小臂与弧形臂铰接关节的刚度对末端执行器位移的影响最大；在选取各关节较优的刚度系数后，在钢丝绳作用下伸缩机构与转台铰接关节产生的角位移偏差最小，在无钢丝绳作用下机械臂架的振动幅度大于有钢丝绳作用时。研究结果为机械臂架工作稳定性及运动精度控制研究提供了参考。

针对传统圆盘式磁流变制动器中工作间隙磁场强度沿制动盘径向分布不均匀、远离线圈区域的工作间隙磁场强度较小的问题，提出并设计了一种多极圆盘式磁流变制动器。首先，阐述了多极圆盘式磁流变制动器的基本结构及工作原理，完成了磁流变制动器的磁路建模，并建立了其制动转矩的数学模型。然后，基于有限元仿真软件，开展了多极圆盘式磁流变制动器的磁场仿真分析。最后，以转矩密度为优化目标，采用梯度自由优化算法中的BOBYQA（bound optimization by quadratic approximation，二次逼近边界优化）算法，完成了多极圆盘式磁流变制动器的结构优化设计。结果表明，所设计的磁流变制动器的外间隙磁感应强度为0.681~0.760 T；内间隙0~<5 mm处的磁感应强度为0.114~0.349 T，5~65 mm处的磁感应强度为0.362~0.498 T；内、外线圈产生的2种磁场可以在磁流变液间隙中实现叠加，从而提高制动转矩。相较于优化前，当所有内、外线圈的电流为1 A时，优化后磁流变制动器的制动转矩增大了15.2%，转矩密度增大了14.3%。多极圆盘式磁流变制动器可为高转矩密度磁流变传动技术的发展提供参考。

水下焊接的应用领域广泛，但其焊接质量难以保障。针对水下焊接处理过程中存在的非线性程度高、参数耦合性强以及检测效率低等问题，提出了一种新的基于声信号识别的水下焊接质量检测方法。该方法通过在水下构建基于声信号采集的监测系统，实时采集焊件焊接过程中的声信息，并通过对声信号进行滤波降噪处理和特征提取，构建双权值神经网络（double-weight neural network, DWNN）模型。该模型具有优秀的高维数据非线性拟合能力，可实现水下焊接多参数与声信号多特征之间的非线性映射，且在小样本情况下仍能实现高精度的模式识别。以高强度低碳合金钢——HSLA-115钢作为焊接对象，开展水下焊接质量检测实验。结果表明，DWNN模型应用于水下焊接质量检测的识别精度可达100%。研究结果可为水下焊接工艺的优化和水下焊件专家知识库的构建提供参考依据。

针对蛇形机器人整体研制的关键问题，包括材料选取、结构设计和运动实现等，研制了一种新型的多关节蛇形机器人。该蛇形机器人由11个二自由度正交关节构成，可在保证灵活性的同时实现三维高仿生运动。采用蛇形曲线设计了蛇形机器人的蜿蜒、蠕动和翻滚等基本步态，并进一步提出了改进的越障步态。同时，在V-REP软件中对蛇形机器人的步态进行运动仿真，比较了不同步态的运动轨迹和运动效率。最后，通过蛇形机器人样机步态实验，对步态模型中各个控制参数对蛇形机器人运动波形和运动速度的影响进行了分析，验证了蛇形机器人本体结构与控制系统的可靠性。研究结果对实现蛇形机器人的步态规划与运动控制具有重要的理论意义与实际指导价值。

线簧丝倾角是线簧孔式电连接器的重要设计参数之一，对其贮存寿命有显著影响。针对该问题，分析了贮存环境下线簧丝倾角改变时线簧孔式电连接器的失效机理，并建立了其贮存可靠性统计模型。在此基础上，建立了线簧孔式电连接器贮存寿命随线簧丝倾角变化的数学模型。最后，制定了恒定应力加速退化试验方案并开展相关试验，通过统计分析试验数据得到不同线簧丝倾角（7°~10°）下线簧孔式电连接器的性能退化模型参数估计值，实现了电连接器的贮存可靠性评估。结果表明，通过最小二乘法拟合得到的贮存寿命与线簧丝倾角的函数关系式的拟合优度高达0.968 1，验证了所构建模型的准确性。研究结果可为后续线簧孔式电连接器的可靠性增长设计提供一定的理论基础和参考。

为了实现布局复杂的城市地下管道的清淤，提出了一种基于并联机构的履带式管道清淤机器人。采用折展调姿行走装置以减小机器人体积，采用基于3-US并联机构的工作装置以增大机器人的工作空间；编写了机器人工作空间算法，通过MATLAB软件仿真得到了行走装置和工作装置的工作范围及运动轨迹；采用ADAMS软件模拟了机器人运动状态，并对其驱动特性参数进行分析，得到了行走装置在不同运动状态下驱动力和驱动力矩的变化规律，以及工作装置在不同方向极限位置转换时的驱动力矩。仿真研究表明了行走装置折展调姿的稳定性及工作装置在各个清淤极限位置间转换的灵活性。研究结果对可适径调整管道清淤机器人的研制与应用具有指导意义。

针对2个异步电机安装在2个不同质体上的振动系统在部分参数条件下不能同步运转或同步相位差不满足设计要求的问题，提出采用主从控制结构和滑模控制算法对异步电机进行矢量控制，以使振动系统实现0或π相位差的同步运转。首先，基于拉格朗日方程建立了振动系统的运动微分方程，并推导了其固有频率的表达式。然后，设计了振动系统异步电机的控制器，并分别证明了其稳定性。最后，在MATLAB/Simulink环境中建立了振动系统的机电-控制仿真模型，开展了自同步和控制同步仿真并进行了对比。结果表明：所设计的控制器可使振动系统实现0或π相位差的同步运转。研究结果可为双异步电机驱动双质体振动系统的研制提供参考。

为提高柔性机械臂的刚度和控制精度，基于散粒体阻塞机理对柔性机械臂的变刚度控制进行了研究。在柔性硅胶管内部填充塑料颗粒以构成变刚度杆，并通过理论分析和实验研究构建了其刚度模型。沿圆周方向对称并联布置3根变刚度杆以构成变刚度柔性机械臂，并基于搭建的实验平台对柔性机械臂进行变刚度控制和定位精度分析。结果表明：散粒体阻塞不仅可以实现柔性机械臂的刚度调节，还可以提高其控制精度；柔性机械臂的剪切刚度与变刚度杆的真空度成正比，柔性机械臂的定位精度与变刚度杆的剪切刚度也存在一定的正比关系。研究结果对促进柔性机械臂在工业机器人、服务机器人领域的广泛应用和提高人-机交互、人-机协同安全性有重要意义。