仿生创新设计是指通过提取自然界中的生物信息来进行产品的创新设计，具有广阔的应用前景。传统的仿生创新设计方法大多基于少量生物信息，难以对大量生物信息进行高效的资源检索，且会因受到设计人员思维及相关专业知识的局限而难以产生富有创新性的设计方案。为解决上述问题，需提出一种基于网络环境中大量生物文本的集成式创新设计方法，以辅助设计人员进行仿生创新设计。基于此，提出一种通过用户需求映射网络生物文本来获取多学科需求、多映射目标设计方案的创新设计方法。首先，基于神经网络模型提取网络生物文本中的知识并存入数据库；然后，根据提出的多学科需求映射方法得到产品设计的关键词，并用模糊映射方法将产品设计的关键词映射到网络生物文本中，由网络生物文本得到工程设计解；最后，根据上述方法编写程序及设计相应的用户界面，并以管式空气加热器的创新设计为例来验证所提出的方法的可行性。结果表明优化后管式空气加热器的加热效果明显提升，说明所提出的方法可以较好地解决传统仿生创新设计中生物文本信息少、设计人员受自身思维限制且缺乏跨学科专业知识以及生成的产品方案不理想等关键问题，可有效地辅助设计人员完成产品的仿生创新设计。

针对飞机装配过程中型架定位器的位置变化，提出一种基于光纤应变传感器的定位器位置检测方法。通过光纤应变传感器对型架主体及定位器组件关键特征区域的应变和定位器位置变化量进行实时采集，对采集的数据进行分析和处理，采用BP（back propagation，反向传播）神经网络建立飞机型架不同区域应变量与定位器位置变化量之间的数学模型。在某型工艺装备上搭建型架定位器位置检测试验平台，根据试验数据分别建立了定位器在平面及空间范围受载下的位置检测神经网络模型。试验结果表明：当神经网络样本数量一定时，模型对定位器位置的预测精度与加载偏移角度有关，偏移角度越小，加载覆盖率越高，模型的预测精度越高。其中，平面内以30°间隔、空间以45°间隔加载时，建立的神经网络模型对定位器位置的预测精度满足定位要求，验证了本文方法的可行性。该方法摈弃了用数字化设备直接测量的传统方式，弥补了因视线遮挡而造成个别定位器位置无法被检测的缺陷，能对装配过程中所有定位器的位置进行检测，解决定位器位置偏差过大造成的飞机部件检测质量差的问题，提升了飞机的装配质量。

针对传统输电线路货运索道设计和计算模型简单、结果误差较大等问题，提出了考虑承载索与牵引索耦合作用的多档多载荷货运索道的分析和计算方法。针对固定式与可滑移式多档索道的特点，根据弹性悬链线法，从结构守恒及力平衡两方面建立了表征多档货运索道工作索耦合作用的非线性方程组，其中结构守恒方程包括承载索与牵引索的档距和高差相等的方程、各档内工作索的总档距和总高差守恒方程、载货小车间牵引索长度守恒方程、承载索档内长度守恒方程和承载索总长度守恒方程等5类方程，力平衡方程包括载货小车两侧工作索的张力平衡方程、支架两侧牵引索的张力平衡方程和可滑移式索道支架两侧承载索的张力平衡方程等3类方程，实现了不同档间承载索与牵引索的联动分析，可计算在任意载荷下多档货运索道工作索的张力等参数。采用牛顿迭代法求解表征多档货运索道工作索耦合作用的非线性方程组，并与工程现场运行试验结果进行对比分析。结果表明，所提出的方法能够准确计算不同载荷作用下多档货运索道承载索和牵引索的张力及滑移量等重要参数，满足工程应用需求，可为货运索道的精细化设计与选型提供参考。

固面反射面因具有非常高的型面精度而广泛应用于卫星的口径天线。针对目前常用的花瓣式旋转固面可展开天线因具有较多的转动副而影响其整体可靠性的问题，探究了固面可展开天线绕正交双轴旋转与绕单轴旋转的等效变换原理及相应的设计方法，并通过实例验证了绕单轴旋转的有效性。结果表明绕单轴旋转的设计减少了花瓣式旋转可展开天线转动副的数量，提高了天线的整体稳定性和展开可靠性，这对固面可展开天线的设计和分析有重要的参考价值。

随着经济的不断发展，城市内高层建筑越来越多，且建筑的跨度不断增大。传统电梯只能实现垂直运输，无法满足大跨度建筑内水平方向的高效运行要求，乘客在离开电梯后仍需步行前往目的地。为了提高建筑内人员的水平移动效率，提出一种基于RGV（rail guided vehicle，有轨制导车辆）的环形横移式循环电梯创新设计方案。运用TRIZ（Teorija Rezhenija Inzhenernyh Zadach,发明问题解决理论）中的因果分析、技术矛盾创新原理和物理矛盾分离方法等工具，对电梯轿厢结构、井道布置和驱动方式等进行创新设计，实现电梯在垂直方向的循环运行及在水平方向的环形运行。为了实现基于RGV的环形横移式循环电梯的高效、安全运行，基于交叉控制策略提出了电梯轿厢的调度策略。基于RGV的环形横移式循环电梯摆脱了传统电梯垂直井道和曳引系统的束缚，能够同时完成垂直方向与水平方向的运输任务，解决了环形建筑内乘客水平移动效率低的问题，有效提高了环形建筑内乘客的整体移动效率。

针对提花经编机压电贾卡针（piezo jacquard needle，PJN）的驱动电路存在功耗高、需要额外的高压电源等问题，设计了一种将自升压电路和工作电路集成为具有能量回收功能的新型PJN驱动电路。基于压电陶瓷晶片的压电方程和PJN结构，介绍了PJN的工作原理，详细分析了所提出的PJN驱动电路的工作模态，给出了电路模态转换的脉冲宽度调制（pulse width modulation，PWM）控制策略。新型PJN驱动电路采用储能电感器代替传统驱动电路的限流电阻器，不仅能够限制PJN的正向充电电流，减少能量损耗，而且可以利用从低压电源吸收的能量将PJN的低压供电电源自适应升压至工作状态所需的高压。为了验证电路的自升压过程，进行了仿真分析。仿真结果表明，该新型PJN驱动电路具有自升压功能，无须外接高压工作电源，仅需低压供电电源即可以高压驱动PJN，能有效降低功耗，实现节能环保，具有广阔的工程应用前景。

码垛机器人常用于焊接、喷涂、上下料、装配和码垛等工艺，可以提高劳动生产率和保证产品质量。针对现有的重载码垛机器人，使用D-H法构建其运动学方程并利用MATLAB解算其工作空间。联合使用ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）和ANSYS Workbench，分别对重载码垛机器人零部件和整机进行瞬态动力学仿真，得到机器人各零部件所受的应力、应变以及机器人末端变形量等，并将其与试验数据对比，以验证仿真方法的可靠性和准确性。结合响应面法和拓扑法对重载码垛机器人结构进行联合优化，获得其结构的轻量化设计方法。研究表明该方法适用于各类关节型机器人的轻量化设计，可进一步降低机器人的材料、电机和减速器的成本。

为了研究虚拟环境下人对空间大小和空间距离的认知机理，提出一种基于虚拟再现行为的知觉匹配法。从虚拟现实（virtual reality，VR）空间对真实空间的再现性角度出发，构建VR空间与真实空间的知觉匹配模型，设计并开展VR空间认知系列实验，分析虚拟环境下人对空间大小和空间距离的认知倾向与认知偏差等。通过VR空间大小认知实验发现：在高度感和宽度感的认知上，分别以±1.9%和±1.4%的标准认知偏差度基本再现了与在真实空间中相同的认知；在深度感的认知上，存在距离被低估与判断力下降的现象，其标准认知偏差度约为±3.4%。通过自我中心距离认知实验发现：在VR空间中，自我中心距离的标准认知偏差度为±（0%~2.5%）；人对侧方向区域的距离认知明显优于正方向，同时对正前方和侧下方区域表现出更加稳定的距离认知，波动幅度小于0.5%，但对上方区域的距离认知具有不稳定性。通过尺寸-距离关系认知实验发现：添加尺寸参照可优化对正方向区域约1%的认知偏差；同时，可将标准认知偏差度缩小为±（0.5%~1.5%），有效提升了人在VR空间中对空间距离的判断能力。研究结果可为VR空间制作与虚拟人机交互设计提供理论支持，在一定程度上有利于用户交互体验的优化。

空间热环境对环形可展天线在轨服役稳定性的影响很大，时刻变化着的热环境会造成天线温度的剧烈波动，从而导致天线结构的热变形，使得天线的形面精度恶化，影响天线电信号的传输甚至导致天线失效，因此有必要对天线进行热-结构分析。以环形可展天线为研究对象，考虑天线在轨服务环境中的各类因素（包括空间真空、空间低温、微重力和空间热源等），基于斯忒藩-玻尔兹曼定律和傅里叶热传导理论，利用有限元软件建立计及金属铰链的环形可展天线的热辐射-热传导分析模型，研究了环形可展天线的非均匀温度场；基于弹性热力学理论及有限元理论，建立计及与不计及金属铰链的环形可展天线的热变形分析模型，研究了非均匀温度场对环形可展天线形面精度和张力比的影响规律。研究结果表明：相较于不计及金属铰链的环形可展天线，计及金属铰链的环形可展天线的形面精度和张力比均发生恶化，其中形面精度变化值已达到毫米级。研究结果对同类型环形可展天线的热-结构分析有重要的借鉴意义，可为天线的结构设计提供参考。

运动学分析是并联机构性能分析、建模和优化设计的基础。传统的运动学分析方法中并联机构的拓扑模型与速度模型只能单独构建，无法揭示其内在联系，导致运动学模型的构建不够全面和准确；另外，以现有运动学性能指标作为运动学优化目标时，存在平转耦合机构运动学评价指标的物理意义不明确等问题。为此，以一平动两转动(1T2R)的Exechon并联机器人为研究对象，利用有限和瞬时旋量(finite and instantaneous screw, FIS)理论对其拓扑、运动学建模进行研究。根据FIS理论中的微分映射关系，在统一的数学框架下建立Exechon并联机器人的拓扑模型和速度模型，得到其速度和力雅克比矩阵。在此基础上，以可解析分析机构运动奇异性的虚功率传递率作为运动学性能指标，来有效评价Exechon并联机器人的运动/力传递性能。给定一组Exechon并联机器人模型的尺寸参数，借助MATLAB分析该机器人的局部虚功率传递率分布情况。研究结果为并联机构的性能分析与建模提供了参考，为Exechon并联机器人的优化设计奠定了理论基础。

随着抛光、打磨工艺自动化水平的不断提高，并、混联机器人机构广泛应用于抛光、打磨工艺。为满足抛光、打磨等连续接触式作业的要求，将一类三自由度刚柔协作混联机器人机构作为抛光、打磨设备的主进给机构。通过建立3种绳索数量和位置分布不同的刚柔协作混联机器人机构的运动学模型，运用封闭矢量法分别求得其刚性部分和绳索部分的位置逆解,运用对位置逆解求导的方法得到了3UPS和绳索部分的速度雅克比矩阵;建立了UP支链的D-H坐标系，并运用微分变换法求得UP支链的速度雅克比矩阵，进而求得了3种刚柔协作混联机器人机构的量纲统一速度雅可比矩阵。利用MATLAB软件对该类刚柔协作混联机器人机构的各项性能指标进行求解，通过对比分析各项性能指标，得到了能够满足不同抛光、打磨工况要求的刚柔协作混联机器人机构的绳索数量及位置分布。研究结果为不同工况下刚柔协作混联机器人机构的绳索数量选取和布置提供了理论依据。

对一类不同部位有明显精度区别的零件进行增材制造时，相较于传统等厚分层算法，现有的分段等厚分层算法和自适应分层算法在弱化阶梯效应及减少分层和成型时间上各有所长，但它们在协调成型精度和成型效率方面并未达到最佳。为此，根据这类零件的立体光刻（stereo lithography，STL）模型，结合分段分层和自适应分层原理，提出了基于零件特征的分段自适应分层算法。沿成型方向按不同的精度要求对模型进行分段，并根据不同精度，利用以最大尖端高度调整分层厚度的方法对各段进行自适应分层。对斗齿类、链轨节类零件进行分层模拟试验，结果表明：基于零件特征的分段自适应分层算法在满足零件形状和精度等要求的前提下，较现有的分段等厚分层算法和自适应分层算法，其成型效率更高，稳定性及灵活性更好，且易于实现；在实际工程应用中可缩短零件的成型时间，促进增材制造向高效率方向发展。

为了准确分析张紧器-高压隔水管耦合动力学特性，考虑平台漂移以及张紧器、海水阻尼等影响，基于动力学基本原理建立深水钻井工况下张紧器-高压隔水管横向振动力学仿真模型，并在MATLAB中利用有限差分法进行离散求解，分析了管内高压流体、张紧器耦合作用、海流流速、平台漂移量、张紧器张力比等因素对高压隔水管和常规隔水管横向振动的影响。仿真结果表明：在管内高压流体、张紧器耦合作用的影响下，高压隔水管的横向振动位移减小、应力增大；随着海流流速的增大，隔水管的横向振动位移增大，位于海面附近的隔水管的横向振动应力增大，隔水管底部的横向振动应力基本不受海流流速的影响；随着平台漂移量的增大，隔水管的横向振动位移增大，且越靠近海面变化越明显，但横向振动应力基本保持不变；随着张紧器张力比的增大，隔水管横向振动位移减小、应力增大，且对于常规隔水管，易产生应力集中。研究结果可为深水钻井工况下张紧器-高压隔水管的耦合振动特性分析提供理论依据。

在民宿的运营成本中，人力成本与能源成本所占份额较大。为了在降低成本和减少能源损耗的同时增加收益，设计了一款民宿无人值守智能管理系统。基于数据挖掘技术，利用爬虫程序获取了大量民宿运营数据，为辅助民宿商户决策提供参考；使用无线RFID（radio frequency identification，射频识别）技术，通过读写器读取对应标签的RSSI（received signal strength indicator，接受信号强度指示器）值来检测人体位置的变化情况，使得入住管理和退房管理更加高效；通过STM32控制模块控制照明灯、窗帘和空调等的驱动电路以实现自动控光、自动控温等功能，或通过智能触控面板手动控制智能家居设备。结果表明：结合SVM（support vector machine,支持向量机）算法，RFID检测系统可准确检测到房间内人员的变化情况，其准确率达到99.25%，具有较高的实用价值。研究显示，该智能管理系统可实现民宿的无人值守管理，既降低了人力成本又减少了能源损耗，为响应国家智能用电服务的乡村振兴战略奠定了基础。

随着传感器的广泛使用和网络技术的发展，智能传感器系统成为传感器发展的一种趋势。参考IEEE 1451.2标准，设计了基于STM32F103的智能传感器系统，它包括智能传感器模块、网络适配器模块、上位机等硬件及相应的运行软件。智能传感器模块采用IIC（inter-integrated circuit，内部集成电路总线)与网络适配器模块通信；网络适配器模块采用Wi-Fi与上位机通信，并作为智能传感器模块和上位机之间通信的桥梁。实验结果表明：智能传感器模块内部能够存储模块自身与传感器的信息，并实现传感器的即插即用；网络适配器模块能够实现智能传感器模块的即插即用；上位机能够实现指令发送和结果接收与管理，并实时监测其与网络适配器模块的连接状态。该智能传感器系统可实现无线远程监测，摆脱了线缆的束缚，能够适应更多的监测场景；能够读取传感器的信息，从而对传感器进行识别，并兼容不同类型的传感器；能够实现传感器的自校准功能，使测量结果更加准确。研究结果可以为大型智能传感器系统的研制和应用提供参考。