深部岩层的原位保温是深地钻探、深部资源开发的关键技术，但目前该技术仍是深部岩层原位保真取心研究的难题。考虑到深部岩层的复杂地质条件，大规模开采活动衍生的强扰动和高成本问题限制了深部钻取的作业空间，同时在进行深部钻取作业时保真舱距离地表太远会导致供电、温度控制和数据采集的难度极大。为此，使用功能-行为-结构（function-behavior-structure，FBS）模型对深部岩层原位保真取心主动保温系统进行功能定义描述，初步提出了该系统的功能需求和功能结构布局；结合TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，发明问题解决理论），对初步提出的主动保温系统设计方案中的技术冲突进行分析和改进，提出了一套由热管、帕尔贴制冷器以及石墨烯加热涂层等组成的高效主动保温系统；通过设定不同的温度梯度来进行恒温控制，实现了不同深度下原位温度的保温模拟，验证了所提出的主动保温系统的可行性。深部岩层原位保真取心主动保温系统的实现可为后续的被动保温以及温压耦合研究提供研究思路和方法。

安全的人机交互和适应环境的仿生运动都要求机器人关节具有柔顺性。为了解决现有被动型柔顺驱动器存在的对不同外负载适应性弱、需要额外的刚度调节电机以及刚度与负载不匹配等问题，设计了一种新型非线性刚度柔顺驱动器，采用“凸轮+扭簧”机构结合齿轮传动，可实现给定的双向非线性刚度。首先，介绍了非线性刚度机构的工作原理、凸轮有效轮廓曲线的计算方法以及非线性刚度柔顺驱动器的工作原理；其次，基于提出的双向非线性刚度机构设计了柔顺驱动器样机；最后，对所设计的柔顺驱动器进行了性能评估。通过对样机刚度特性的仿真和试验分析，验证了所设计的柔顺驱动器能够较好地按给定的非线性刚度特性曲线进行刚度调节；通过与相近的驱动器的对比，表明所设计的柔顺驱动器具有优良的综合特性；通过对具有不同力矩峰值和频率的正弦力矩信号的跟踪试验，初步验证了所设计的柔顺驱动器具有良好的力矩控制性能。研究结果表明所提出的设计方法有效，可为机器人关节驱动器的设计提供新思路。

针对现有软体柔性手指运动自由度少的问题，设计了一款基于气动多腔软体驱动器的柔性手指。基于软体动物的运动特征，对多腔软体驱动器的结构进行了设计；根据虚功原理，建立了软体驱动器的力学模型和柔性手指的位姿方程；利用Abaqus CAE有限元仿真软件对柔性手指进行了力学仿真，得到了柔性手指偏转角度与输入气压的关系曲线；以单向转动软体驱动器为研究对象，通过输入特定气压值来分析其偏转角度与输入气压的关系，并对比了偏转角度—输入气压关系曲线的理论计算、仿真分析和试验结果的差异。试验结果显示，在偏转角度为0°~80°时，单向转动软体驱动器理论计算、仿真分析与实际测得的偏转角度—输入气压曲线的变化趋势基本一致。研究表明，所建立的单向转动软体驱动器力学模型能够较为准确地描述驱动器偏转角度的变化，所建立的手指位姿方程能够根据各关节的偏转角度求得手指各个节点的空间坐标,为手指的运动控制提供了基础。

针对现有缺陷管道的磁记忆信号降噪效果不佳及信号完整性鲜有考虑等问题，提出了基于总体平均经验模态分解（ensemble empirical mode decomposition，EEMD）和分层阈值的磁记忆信号降噪方法。首先，设计了以STM32F407为控制核心的金属磁记忆检测系统，用于采集缺陷管道的磁信号；然后，对磁信号进行EEMD预处理，得到其本征模函数（intrinsic mode function， IMF）分量，并根据频谱分析和相似度计算选择最佳分解层数；最后，利用分层阈值降噪算法重构在最佳分解层数下的IMF分量，得到降噪后的信号。通过仿真分析和实验测试，对EEMD分层阈值降噪方法进行定量评价。结果表明：该方法适用于信噪比较小的含噪信号；与小波阈值降噪方法相比，其降噪后信号的信噪比和平滑度较高，均方根误差较小，缺陷特征信号完整，可更直观地显示缺陷位置。研究结果为金属管道磁信号降噪提供了一种切实可行的方法，为管道缺陷的在线检测奠定了基础。

为有效控制特定频段的噪声，基于Helmholtz共振腔阵列，通过Helmholtz共振腔短管位置的控制，设计了一种新型的局域共振型声学超材料。利用COMSOL Multiphysics软件求得新型声学超材料的能带图和传递损失曲线，并与具有单一方向开口的Helmholtz共振腔阵列的传递损失曲线进行对比；同时，为分析新型声学超材料的带隙形成机理，求得了其在带隙频率范围内的声压分布云图。通过试验测试了新型声学超材料的吸声性能。结果表明：新型声学超材料的能带图中产生了2段较窄带隙和1段较宽带隙，在带隙频率范围内，声学超材料传递损失出现峰值；第1带隙和第2带隙较窄，原因是单个Helmholtz共振腔局域共振，声波能量消耗少；第3带隙较宽，原因是Helmholtz共振腔与其周期排列形成的外部波导联合共振吸声，消耗大量声波能量。试验测试结果与仿真计算结果较为吻合，新型声学超材料可有效控制1 300~1 500 Hz和1 500~2 000 Hz频率范围内的噪声。研究结果表明，所设计的新型局域共振型声学超材料可有效实现中低频减振降噪，为声学超材料在中低频的降噪控制研究提供了新的思路。

机床导轨的性能对机床的加工精度有重要影响，而采用常规材料制造的导轨的动力学和热力学性能不够理想。为了提高机床的加工精度，提出采用内嵌钢结构的树脂混凝土来制造精密机床的液体静压导轨，并对其结构进行优化设计。首先，基于某型号卧式加工中心液体静压导轨的工况，对液体静压导轨油垫的结构进行改进，并通过内嵌钢结构支撑件对液体静压导轨结构进行强化；其次，对由树脂混凝土和花岗岩制成的液体静压导轨的静力学和热力学性能进行分析和比较；最后，在树脂混凝土液体静压导轨表面设置U-V形沟槽和V形沟槽减阻微结构，并进行减阻效果对比。仿真结果表明:树脂混凝土液体静压导轨与花岗岩液体静压导轨相比，其最大静变形较小，热性能显著提高；U-V形沟槽减阻效果更明显。研究表明，在采用树脂混凝土制造的液体静压导轨表面设置U-V形沟槽微结构，能有效提高液体静压导轨的综合性能，这可为精密加工设备的研制提供参考。

为提高机床的加工精度，降低零件加工误差，以双轴联动进给系统的轮廓误差和Z轴、X轴的跟踪误差为优化目标，开展双轴联动进给系统的多目标优化设计与研究。首先，在前期研究的基础上，设置优化初始条件，并利用Box-Behnken方法获得试验样本点；其次，基于所建立的双轴联动进给系统的机电耦合动力学模型开展样本点运动轨迹仿真分析，得到轮廓误差和单轴跟踪误差数据，并采用灵敏度分析法获得对设计目标影响程度较大的设计变量；然后，基于仿真得到的数据，利用含交叉项的二次多项式拟合方法构建设计目标对设计变量的响应面模型；最后，利用NSGA-II （non-dominated sorting genetic algorithm-II，非支配排序遗传算法II）对双轴联动进给系统进行优化，得到双轴联动进给系统的Pareto最优解集，按照目标优先顺序从该解集中寻得最优解。从仿真结果可知，双轴联动进给系统的轮廓误差和Z轴、X轴的跟踪误差均明显降低，降幅超过30%，优化效果明显。该方法可为多轴联动进给系统的优化提供参考。

涡旋型线在涡旋膨胀机的优化设计中发挥着重要作用。目前对变基圆半径涡旋型线的研究大多集中于几何、数学模型的建立和推导，缺乏对型线参数选取的深入研究。为了弥补上述不足，采用粒子群算法对变基圆半径涡旋型线的参数进行优化选取。首先，建立了变基圆半径涡旋型线的啮合盘径和变基圆半径涡旋膨胀机膨胀比的数学模型；其次，分析了基圆变化系数对变基圆半径涡旋膨胀机性能的影响；最后，对变基圆半径涡旋型线的参数进行了单目标和多目标优化。优化后得到在啮合盘径和膨胀比各自取得极值时基圆半径和基圆变化系数的取值，以及以啮合盘径和膨胀比为共同优化目标时基圆半径和基圆变化系数的非劣解集。研究结果可为涡旋膨胀机的型线设计提供参考。

针对矿用挖掘机驾驶室操作界面布局设计不合理的问题，提出了操作界面布局优化设计的思路和方法。首先，采用GEM-AHP （group eigenvalue method-analytic hierarchy process，群组决策的特征根法-层次分析法）优化法分析矿用挖掘机驾驶室操作界面组成元件的使用频率、重要程度的相对权重和综合权重，构建组成元件优先序饼状图，并采用模块重要程度分析法对操作面板的视觉注意程度和易操作程度进行考量，绘制操作面板重要程度分布图；其次，匹配组成元件和操作面板模块，建立操作界面的布局优化设计方案；最后，选用Jack人机工程学软件虚拟仿真评价法和用户体验主观评价法对优化前后的矿用挖掘机驾驶室操作界面进行对比评价。结果表明：优化后操作界面的操作舒适性得到了明显提升，设计合理性提高了18.6%，操作人员的行为特性和认知特性得到了重视，其整体布局更加人性化。研究结果可为操作界面的布局优化设计提供更加科学、直观的指导，为复杂人机操作界面的布局设计和评价提供参考。

采油树在深海油气开发中起着至关重要的作用。为了准确了解钻柱-采油树纵向下放安装过程的动力学特性，基于钻柱-采油树实际安装工况和动力学基本原理，考虑平台升沉运动，建立钻柱-采油树纵向振动力学仿真模型。在MATLAB中采用有限差分法对该模型进行离散求解。分析升沉补偿模式、PID控制器比例系数、补偿缸体积、水深、钻柱壁厚和采油树质量等因素对钻柱-采油树纵向振动性能的影响。仿真结果表明：主动式升沉补偿装置的补偿效果优于被动式升沉补偿装置；主动式升沉补偿装置中PID控制器的比例参数k_p增大时，升沉补偿效果增强，但k_p增大到一定值时会引起钻柱-采油树系统不稳定；钻柱-采油树的纵向振动位移随着补偿缸体积、钻柱壁厚的增大而减小；所受应力随着补偿缸体积、钻柱壁厚的增大而减小，随着采油树质量的增大而增大；在不同水深条件下，钻柱-采油树顶部的纵向振动位移和应力基本相同。研究结果可以为采油树稳定地下放安装提供参考。

为解决菠萝采摘作业中劳动力需求量大、人手易受伤以及成本高等问题，设计了一种半自动拧取式菠萝采摘收集机。首先，基于系统设计原理，综合利用凸轮、连杆、链轮链条等机构，完成了半自动拧取式菠萝采摘收集机的结构设计。然后，运用SolidWorks软件对半自动拧取式菠萝采摘收集机进行三维建模，对其剪式升降机构、爪臂平移机构、采摘机械爪和收集系统进行了参数设计与校核；运用SolidWorks软件中的Motion模块、 Simulation模块以及MATLAB软件，对剪式升降机构、凸轮主轴和收集槽进行了运动学分析和静力学分析。最后，通过采摘收集试验来验证半自动拧取式菠萝采摘收集机的可行性。结果表明，该半自动拧取式菠萝采摘收集机的平均采摘收集效率可达17.99 s/株，不同采摘规模下采摘收集效率方差最大为0.070 (s/株)²，说明该采摘收集机具有良好的工作稳定性。半自动拧取式菠萝采摘收集机操作简单，携带轻便，能有效满足小规模种植户的灵活采摘需求，具有较广阔的应用前景。

针对目前车道线识别系统因处理对象为离线图像或视频文件而难以实现车道线在线识别的问题，大多数车道线识别算法为了减少图像处理运行量，通常选取固定的兴趣区域（region of interest，ROI）进行处理，导致难以适应环境的动态变化且存在不同程度的识别误差。为此，提出了一种基于机器视觉的不设定兴趣区域的车道线在线识别系统。首先，利用VBAI（Vision Builder for Automation Inspection）平台对实时采集的彩色道路图像进行预处理，完成彩色图像的灰度化、滤波及二值化处理。然后，建立图像坐标系，并构建多条向外发散的灰度值采集线，灰度值采集线与车道线相交处的灰度值会发生较大改变，当某点的灰度值高于设定的灰度阈值时，记该点为边缘突变点。接着，借助直线拟合算法对所有车道边缘突变点进行拟合以完成车道线识别，并求解两侧内车道线的远方消失交点坐标和车辆行驶偏离车道中心线的相对航偏角，当相对航偏角超过不同等级的安全阈值时，系统人机交互界面的提示框呈现不同的颜色以进行提醒或预警。最后，借助LabVIEW进行API（application programming interface，应用程序接口）脚本调用，实现图像处理程序的连续运行与车道线在线识别。试验结果表明，所提出的车道线在线识别系统的识别准确率达98.41%以上，相对航偏角的测量误差小于0.056°，图像处理速度达42帧/s以上，兼具识别的准确性与实时性。综上可知，基于机器视觉的车道线在线识别系统可有效识别出不同环境路面的车道线，并实现行驶偏离预警，可将其应用于基于自动驾驶技术的车道保持辅助（lane keeping assist，LKA）系统。

为满足三维空间展开机械臂在进行地面微重力模拟展开试验时对多维度、多自由度、高精度展开轨迹和高卸载效率的要求，通过对当前成熟的微重力模拟展开试验方法进行分析总结，设计了一种基于悬吊法和气浮法的多自由度微重力模拟展开试验系统。首先，对所设计的多自由度微重力模拟展开试验系统进行结构设计和原理分析；然后，将多自由度微重力模拟展开试验系统应用于某三维空间展开机械臂的三维轨迹微重力模拟展开试验。结果表明该三维空间展开机械臂展开过程稳定可靠，且微重力模拟展开试验系统对机械臂产生的气浮运动摩擦阻力、垂直方向阻力波动量和展开方向附加阻力均很小，卸载效率高于95%，满足高精度和高卸载效率的展开要求。研究结果可为多自由度空间可展开机构地面模拟展开试验系统的深入研究提供一定的参考。

为了实现基于无碳理念的小车在复杂路径行驶中具备自主识别障碍物和避障轨迹优化等功能，设计了一种由重力驱动的智能车。首先，为使智能车既能行驶较远距离又能变速上坡，基于机械能守恒定律，设计了平滑过渡型阶梯式绕线轮，其结构简单、运行无冲击且加速度恒定，可有效节约驱动能源；其次，对智能车的传动机构进行了基于单自由度的动力学分析和转矩的计算；再次，采用STM8S105单片机作为核心控制器来控制E3Z-D62红外传感器、ES3104舵机和JY61P陀螺仪，实现对障碍物的识别、避让，车体转向和车身偏角预判等功能；最后，运用Python软件对采用不同齿轮传动比时智能车的运行速度及行进距离进行可视化仿真。结果表明：当齿轮传动比为6.3∶1时，利用由质量为1 kg、高度为（400±2）mm的砝码下落产生的重力势能转化的动能驱动智能车，可实现最优的行进距离。所设计的智能车能够实现直线行驶、自主识别和避让障碍物、加速爬坡、减速下坡等系列运动，其外观和成本等问题也已被充分考虑，满足了设计的预期要求。研究结果可为无碳小车的结构优化及控制提供参考。

随着互联网技术的发展和大力倡导绿色出行，城市中自行车的数量逐渐增多，导致自行车存放位置紧缺及乱摆放现象日益严重。针对上述问题，设计了一种紧凑型自行车立体车库，其主要包括出入库子系统、控制子系统和人机交互子系统三个部分。首先，介绍了紧凑型自行车立体车库的整体结构和工作原理；然后，对该自行车立体车库的夹持推拉机构、旋转升降机构和联动机构等关键机构进行了设计、分析与校核；接着，对自行车立体车库控制系统的硬件与软件进行了设计；最后，基于自主研发的紧凑型自行车立体车库样机，通过自行车存取调试试验验证了其可行性。试验结果表明，该紧凑型自行车立体车库通过充分利用高度空间和采用载车架拼接组合模式，既简化了车库结构又增加了自行车存放数量，可很好地实现自行车存取。所设计的紧凑型自行车立体车库自动化程度较高，结构可靠及性能稳定，可有效缓解自行车停车难问题及乱摆放问题。

针对由压电陶瓷驱动的微定位平台工作行程不足的问题，设计了一种基于二级杠杆机构的二自由度微定位平台。考虑到不同柔性铰链的物理特性，通过差异化的铰链组合方式来优化新型二自由度微定位平台的性能，使其具有较快响应速度和大范围输出位移。基于拉格朗日定理，构建了新型二自由度微定位平台的刚度模型，并推导了其固有频率的解析表达式。有限元仿真结果表明，该二自由度微定位平台刚度模型的误差较小，验证了刚度建模方法的准确性和可靠性。研究结果可为柔性精密微定位平台的构型设计和建模分析提供一定的理论指导。