随着制造业的智能化发展，机器人抛光、打磨、去毛刺和装配等连续接触式作业的需求日益增加。力控末端执行器作为机器人力-位混合控制与连续接触式作业的关键部件，其性能对于提升机器人作业质量和拓展应用范围具有重要影响。因此，对现有机器人力控末端执行器进行研究，分析其性能特点与关键技术，指明其发展方向，对于高性能力控末端执行器的研制具有重要意义。首先，介绍了力控末端执行器的发展背景，阐述了其组成与分类、工作模式和工作原理；其次，简述了力控末端执行器研发中涉及并联机构构型综合理论与优化技术、恒力补偿作动部件设计技术、质量力补偿技术、柔性碰撞技术、解耦控制技术和力波动抑制技术等；然后，分别对机械式、气动式和电驱式等单自由度与多自由度力控末端执行器的国内外研究现状进行了概述，并分析了各自的优缺点；最后，指出力控末端执行器将向高精度、高频响、电驱化、多自由度柔顺、重载化、高集成化和智能化等方向发展。分析表明，当前普遍应用的力控末端执行器多为机械式或气动式，但存在迟滞大、响应速度较慢和力控制精度不高等缺点，且仅能实现单自由度恒力控制，因此，开展高精度高频响的智能电驱式多自由度力控末端执行器的研制，对于提高机器人连续接触式作业系统的力控制精度、曲面适应性、加工装配质量和效率具有重要意义，可有效提升工厂机器人智能化作业水平。

为快速、准确地判断数控机床故障等级，避免出现花大代价处理次要故障，而关键故障却被忽略的情况，提出了一种以元动作单元为分析主体的数控机床故障分级决策方法。首先，为细化数控机床故障分析的粒度，使得分析过程更加简便，从系统功能分解的角度将数控机床按照“功能（function）-运动（motion）-动作（action）”逐层分解直至元动作层。其次，通过对分解过程进行分析，给出了元动作单元概念模型，明确了一个标准元动作单元需要包含的3类要素。然后，从动作的层面全面分析并总结元动作单元的故障模式类型。接着，定义了元动作单元故障模式的3个等级，按照评价指标对数控机床故障模式进行评价，再通过灰色聚类理论分析故障模式量化评价值，利用所得出的聚类结果建立了故障模式分级的原始决策表，随后通过粗糙集理论对原始决策表进行知识约简以使决策规则进一步简化，最终形成了一种能够快速、准确确定故障模式等级的决策方法。最后，通过对某数控机床齿条移动元动作单元的分析，验证了所提方法的合理性与有效性。实例分析结果表明使用该方法能够快速、准确地确定数控机床的故障模式等级，提高了决策效率，所得结论更加明确且具有针对性，可为后续的维修过程控制提供依据。研究结果能给相关企业确定数控机床故障等级提供有效指导，一定程度上优化企业维修资源的配置。

针对基于测速发电机、光电编码器等测速传感器的传统测速系统存在低速测量性能，实时性，对结构不对称、电磁扰动等的抗干扰性等都较差的问题，提出了一种高精度宽范围实时滤波测速方法。以爪极永磁式交流测速电机为例，详细分析了其机械结构特性和工作原理，并在结构不对称条件下建立了爪极永磁式交流测速电机测速模型，提出了一种面向工程应用、计算量小的交互双模自适应降阶无迹卡尔曼滤波算法来实时估计永磁转子转速。该算法同时运行降阶和全阶交互双模自适应算法，当采用降阶估计值保障系统实时性时，在计算耗时较长的全阶算法运行完成一次后修正一次降阶估计值，提高测速精度。仿真结果表明，提出的测速算法对于结构不对称扰动具有良好的鲁棒性，能够适用于宽范围条件下的转速高精度实时跟踪，具有一定的工程指导意义。

预应力钢筒混凝土管（prestressed concrete cylinder pipe，PCCP）在水利工程、工业供水等领域得到广泛应用。针对现有PCCP端口打磨方法效率低、打磨质量难以保证等问题，创新设计了一种PCCP承、插口打磨机器人。首先，根据工作服役环境要求，对端口打磨机器人进行了结构设计与样机制作，并通过现场试验分析该机器人的打滑失效问题；其次，根据打磨机器人克服摩擦力环绕承、插口作周向转动的打磨过程，在进行力学分析基础上建立其压紧力模型及可靠性模型，并采用随机摄动方法分析了整个打磨过程的动态可靠度，得到该打磨机器人可靠性最低的关键部位；最后，对影响端口打磨机器人可靠性的参数进行了灵敏度分析，得出使端口打磨机器人最快趋向可靠的参数为从动轮半径。研究结果为研发具有自主知识产权的大型PCCP自动化制造装备及进行下一步可靠性优化设计奠定了基础。

针对三峡升船机在试运行过程中卧倒门支铰座螺栓发生断裂故障，分析得出故障的主要原因是螺栓联结的预紧力矩（1 233 N·m）过小、A2-70-M36螺栓强度不够。基于此，提出了一种提高三峡升船机下闸首卧倒门支铰座螺栓联结可靠性的方法。首先，分别分析计算了升船机卧倒门在无水关门、无水开门、有水关门和有水开门四种工况下的液压启闭机油缸的作用力及支铰座联结螺栓的最大工作载荷，其中有水关门工况考虑了0.8，0.7，0.5 m三种壅水高，有水开门工况考虑了0.8，0.5，0.3 m三种水位降。然后，根据启闭机的额定输出力，反推得出有水关门时壅水高不超过0.7 m，有水开门时水位降不超过0.3 m；最后，根据残余预紧力条件，确定了预紧力矩为2 400 N·m；强度计算结果表明，选用10.9级M36螺栓时，卧倒门支铰座螺栓联结能够满足强度要求。维修后卧倒门运行良好，可靠性提高，这为三峡升船机下闸首卧倒门安全运行提供了技术依据。

针对传统的空间圆弧拟合方法鲁棒性低、拟合精度不高等问题，提出了一种鲁棒性较强的空间圆弧拟合优化方法。首先，以拉格朗日乘子法为基础，基于平面条件约束建立目标函数，从而得出空间圆弧拟合方程；其次，采用RANSAC（random sample consensus，随机抽样一致）算法剔除错误跟踪点，将RANSAC算法的高稳定性应用到空间圆弧拟合的点云优化中，进而提高拟合精度。最后，通过实验分析验证了所提空间圆弧拟合优化方法的可行性，并与传统拟合方法进行比较，分析所提方法的拟合精度。实验结果表明：普通圆弧点云拟合的相对精度在0.003左右，复杂圆弧点云拟合的相对精度在0.01左右；相较于传统拟合方法，所提方法有效解决了拟合精度低及鲁棒性差等问题。研究结果表明提出的空间圆弧拟合优化方法一方面可运用拉格朗日乘子法增强鲁棒性，另一方面可通过采用RANSAC方法剔除错误点以提高拟合精度，具有广泛的工程实际应用价值。

油气井定向随钻扩孔钻井技术主要用于优化井身结构、提高固井质量及预防复杂地层缩颈卡钻等事故的发生，适用于该钻井技术的破岩工具为扩孔钻头。根据塔河油田深井定向随钻扩孔钻井的实际需要，开展了新型钻头的研发。通过对PDC（polycrystalline diamond compacts，聚晶金刚石）钻头扩孔结构、冠部形状、布齿结构等方面进行优化设计，开发出CK306B型定向随钻扩孔PDC钻头，其中钻头扩孔结构采用二级扩孔设计方案，钻头领眼段的冠部采用“微凸冠顶”结构，钻头的布齿结构根据自平衡原理设置，并对新型随钻扩孔PDC钻头进行稳定性和水力特性的仿真分析。该型钻头在塔河油田深井定向随钻扩孔钻井工程的实际应用中取得良好的使用效果：扩孔井径大于170 mm的设计扩孔井径要求，造斜率达到9.9°/30 m；扩孔钻头平均进尺达到93 m，机械钻速为1.24 m/h，分别比国外同类钻头提高50%和4%。研究结果表明：新型定向随钻扩孔钻头在深井条件下钻进是可行的，能够满足井眼轨迹控制和定向扩孔的要求，且将钻头的不平衡系数控制在0.05以内，能提高钻头的稳定性，减少钻头异常失效现象，从而延长钻头的使用寿命。

卡线器夹嘴长度决定着平行移动式导线卡线器的整体尺寸和质量，也决定着被夹持导线是否会发生损伤。针对夹嘴长度多以导线直径乘放大倍率、试验验证的方法确定，缺乏一定理论支撑，通过对1 660 mm²大截面碳纤维导线的结构特点进行分析，并利用试验得出碳纤维导线芯棒径向耐压强度判据。参考1 250 mm²导线应力仿真结果得出型线铝股塑性范围判据，取夹嘴长度为350，325，275 mm，对1 660 mm²大截面碳纤维导线进行仿真研究，并根据仿真结果优化设计了适用于JLZ2X1/F2A-1660/95-492型1 660 mm²大截面碳纤维导线卡线器。优化后的导线卡线器的夹嘴长度减小了21.9%，质量减小了25.0%。研究结果可为卡线器的设计和优化提供参考依据。

为了提高某割草车的工作效率，降低其长时间工作时的能源损耗，对其割台中的刀盘和刀片进行建模与仿真分析，通过对刀盘角区和刀片形状进行优化，达到节能的效果。首先，对割草过程中刀盘内的流场情况进行数值模拟，分析了刀片和刀盘所受的压力、刀片的速度以及刀片所受扭矩；其次，基于流场分析规律，对刀盘角区和刀片的形状进行优化，提出3个优化方案；然后，以扭矩的大小作为方案是否节能的主要评价指标，并与原方案进行对比分析，得到节能效果最优的设计方案；最后，将优化后的刀片加工成形，装在实车上进行试验，试验结果与仿真结果的误差小于5%，说明仿真结果正确，同时试验结果验证了该优化方案具有良好的节能效果。仿真与试验结果表明：刀片形状对割草机工作过程中的流场及扭矩等有重要影响，异形刀片有助于减小流场涡流与风阻，从而减小刀片上的扭矩，达到节能提效的目的。

欠驱动夹持器具有良好的自适应特性，广泛应用于机器人领域。针对欠驱动夹持器工作模式较多而导致参数优化困难的问题，以典型的平面阻尼型欠驱动夹持器为研究对象，提出一种夹持器多模式参数优化设计方法。所研究的夹持器有2种工作模式，分别为两点夹持与包络夹持。首先，对夹持器各工作模式进行静力学分析，建立输出夹持力与输入扭矩的解析关系，并引入外部约束法解决包络夹持静平衡位置较难确定的问题；然后，对各工作模式进行夹持力优化，以获得最优结构参数，并分析优化方向的共性；最后，通过ADAMS仿真验证了优化结果的正确性。结果表明：2种工作模式的优化方向相同且优化效果明显。本研究为多工作模式欠驱动夹持器的优化设计提供了参考方法。

机械臂是工具支撑型工业装配外骨骼非常重要的一部分，它对工具的稳定支撑有着重要影响，直接决定此类外骨骼的使用性能。结合现有仿人机械臂的设计方法，以国内成年男子手臂尺寸为依据，基于弹簧连杆机构设计了一款用于工业装配外骨骼的机械臂。根据弹簧连杆机构的静平衡系统，阐述了工业装配外骨骼机械臂支撑以及承重的基本原理，证明了机械臂减重的可行性。为研究工业装配外骨骼机械臂承重性能，基于现有外骨骼模型进行了9组两弹簧机构连杆初始角度为不同θ₁、θ₂的仿真试验，并利用逆向仿真方法得到了不同条件下机械臂举升高度与举升力之间的关系曲线。为了更方便地研究机械臂承重性能，针对此机械臂提出了有效承重区间的概念。仿真试验结果表明，减小初始角度可以得到更大的有效承重区间，θ₁对整个机械臂承重性能的影响比θ₂大；具有较大初始角度的机械臂能够增强工具的稳定性。研究结果证明了基于弹簧连杆机构的机械臂能够很好地应用于工业装配外骨骼，为此类外骨骼机械臂的研究和设计提供了参考。

超深矿井提升机卷筒在钢丝绳多层缠绕时所受钢丝绳的缠绕力错综复杂，在长期作业过程中卷筒结构可能会萌生裂纹进而发生疲劳破坏，所以有必要对卷筒结构在多层缠绕实际工作条件下的疲劳寿命展开研究。基于板壳理论，将超深矿井提升机卷筒视为均匀受压的旋转对称壳体，通过对卷筒结构负荷构成进行分析，建立了钢丝绳对卷筒作用力的数学模型，并根据提升系统动力学原理建立了钢丝绳满载上提和空载下放的动力学模型，确定了卷筒结构的动态载荷。通过对卷筒结构作业过程强度分析得出卷筒结构在整个工作循环中的应力-时间历程曲线。结合不同存活率的S-N曲线和累积损伤理论，分析了卷筒结构在不同负载下的疲劳寿命。研究结果表明：提升机满载上提和空载下放过程中卷筒结构的最大等效应力均出现在等速阶段，且其最大等效应力出现在卷筒内壁支轮与支环的中部；在给定的存活率下卷筒结构的疲劳寿命与工作负载密切相关。研究结果为多层缠绕复杂工况下卷筒的力学分析与科学设计提供了理论支撑。

微纳测头是精密测量机的关键部件，其刚度特性直接影响坐标测量机的整体性能。基于压杆失稳原理，构造一种具有变刚度特性的新型微纳测头。利用压电装置驱动柔性机构变形以改变柔性支撑梁的轴向受力和横向刚度，从而改变约束支撑机构的整体刚度。综合考虑测头的刚度特性、结构稳定性和解耦性等因素，构造出基于十字交叉型悬臂梁支撑的变刚度微纳测头。利用最小势能原理构建微纳测头约束支撑机构的刚度模型，基于模型获得所需压电驱动力大小。通过有限元仿真得到测头刚度随压电驱动力变化的曲线。对比刚度理论计算值与仿真值，分别得到微纳测头约束支撑机构的轴向刚度及横向刚度的平均相对误差。仿真结果表明，建立的刚度理论模型具有较高的准确性。研究结果为该新型微纳测头的变刚度控制奠定了理论基础。

为研究液压激振系统中高频交变压力下先导式溢流阀的响应特性，建立了先导式溢流阀数学模型和AMEsim仿真模型，仿真研究了高频交变压力下先导式溢流阀开启情况，并进行试验对比研究。仿真结果表明：交变压力下先导式溢流阀主阀口存在异常开启现象，增大了系统能量损失；主阀口异常开启量随交变压力幅值增大而增大；当交变压力频率达到200 Hz时，溢流阀主阀口未出现异常开启。试验结果与仿真结果基本吻合。研究结果对高频交变压力下先导式溢流阀的使用有重要的理论指导意义和实际工程意义。

新型类方形蜂窝是六边形蜂窝的一种过渡形式，对其等效弹性参数和振动特性的研究具有重要意义。采用改进的Gibson公式对比分析了双壁厚与等壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效弹性参数的差异，并应用经典层合板理论分析了不同等效弹性参数下2种壁厚类型的四边简支类方形蜂窝夹层结构的振动特性，基于有限元仿真技术分析了不同壁厚类方形蜂窝夹层结构的振动特性，并与理论分析结果进行对比。结果表明等效弹性参数的数值模拟结果与理论值基本吻合。在蜂窝基本结构参数相同的条件下，双壁厚类方形蜂窝夹芯的面内等效剪切模量、面外刚度和等效密度均比等壁厚类方形蜂窝夹芯大；在低阶振动模态下，双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的低，在高阶振动模态下，双壁厚类方形蜂窝夹层结构的固有频率比等壁厚类方形蜂窝夹层结构的高；影响夹层结构固有频率的3个主要因素所占权重由大到小依次为蜂窝夹芯yoz面等效剪切模量、蜂窝夹芯等效密度，蜂窝夹芯壁厚。研究结果表明采用经典层结构理论计算得到类方形蜂窝夹层结构的固有频率与数值仿真结果的一致性较好，这进一步证明了采用改进Gibson公式得到的类方形蜂窝夹芯等效弹性参数的正确性，同时证明了将该振动理论运用到一般蜂窝夹层结构研究的可行性，为扩展研究其他类型蜂窝夹层结构振动特性奠定了基础。

中国探月三期工程将采用无人探测器开展月面采样探测，利用中空外螺旋钻具开展预计深度为2 m的连续钻取采样。在轨作业期间，航天器发射段和飞行段产生的随机振动负载及钻具在采样过程中存在的横向负载等附加负载会引起钻杆挠曲变形，严重时可能会导致钻取采样作业失败。在不修改取芯钻具的前提下，参考地面油田钻井工程中的相关技术，提出了一种月面采样钻具锁合随动式限幅机构。该机构主要由主支撑架、对接锁合组件和钢球锁释组件组成。在限幅机构工作过程中，其主支撑架在钻杆的中部位置提供外部支撑，减小由于飞行振动引起的挠曲变形，当钻具钻进一定深度后，对接锁合组件和钢球锁释组件实现锁合与解锁的功能，并随钻具同步向下进尺，为钻具后续的钻进动作提供空间。通过有限元分析手段，对限幅机构的强度和刚度进行校核与分析。通过试验件研制以及地面钻取采样试验验证可知：锁合随动式限幅机构作为外部支撑，能提高中空外螺旋钻具的刚度，且不会影响钻取采样的正常作业过程。研究结果表明锁合随动作业方式与当前取芯钻具的配合程度较好，提高了钻取采样作业性能及其可靠性，为完善我国探月三期工程钻取采样系统提供了参考。