为了快速准确地解决产品的人机工程问题，提升产品的人机性能，提出了一种基于虚拟仿真与TRIZ （Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，发明问题解决理论）的人机工程问题解决方法。首先，利用虚拟仿真工具对产品的人机性能进行评估，根据所得的人体数据进行产品区域关联，确定存在人机工程问题的产品区域，并利用功能模型和因果分析找到产生人机工程问题的根原因。然后，根据产品人机工程设计案例及专家问卷调查结果，构建TRIZ标准工程参数与人机工程设计准则关联表，并通过该关联表和TRIZ冲突分析工具获取可解决产品人机工程问题的设计方案；基于理想度概念，提出产品人机性能理想度评估方法，并对得到的设计方案进行评价，从而确定最佳设计方案。将提出的方法应用于电动曲线锯人机工程问题解决实例，既快速解决了问题，又提升了电动曲线锯的易用性。结果表明，所提出的方法能够提高产品创新设计效率及其人机性能，可为产品人机工程问题的解决提供一种新思路。

研究人体关节阻抗对仿生机器人阻抗控制策略研究有重要意义。针对前期设计的踝关节阻抗测量装置（impedance detection device for ankle joint，IDDAJ）机械结构复杂及机理法建模难度大，提出了一种基于串联弹性原理和增广上三角分解辨识（augmented upper-diagonal decomposition identification，AUDI）算法的踝关节阻抗估计方法。为降低对IDDAJ驱动单元的性能要求，基于串联弹性原理，将其输入扰动中的大直流分量和动态高频分量分离；为降低建模难度，采用不受模型阶次影响的AUDI算法直接辨识IDDAJ阻抗模型，以获得更加准确的装置阻抗模型参数。根据联合阻抗测量原理，在得到IDDAJ阻抗模型后，采用AUDI算法辨识小腿肌肉不同激活程度下踝关节阻抗模型的参数。结果表明，采用AUDI算法辨识得到的IDDAJ阻抗模型的可靠性高于采用机理法得到的；在小腿肌肉放松状态下踝关节阻抗模型的参数处于同一数量级，踝关节阻抗模型的阻尼分量B、刚度分量K与小腿肌肉激活程度成正相关，这与现有文献中的结果一致。研究结果可为IDDAJ的研制和其他关节阻抗测量方法的研究提供参考。

针对具有平面特征的工件的位姿识别，提出了一种三维点云两步校准法。首先，对三维点云进行多次随机抽样，每次抽取3个点并计算其所构成平面的单位法向量；经多次抽样后，得到一个平面单位法向量集合，采用密度聚类算法提取主平面的单位法向量，并根据主平面单位法向量与目标向量的轴角变换关系实现点云的倾斜度校正。然后，先将点云投影至主平面，再将各点的高度映射为主平面内的灰度，得到点云灰度图；再利用图像模板匹配算法获取点云在主平面内投影的平移量和旋转角，经平移和旋转后实现点云位姿的最终校准。将所提出的三维点云两步校准法应用于高压输电线塔塔座自动焊接系统，以识别塔座的位姿信息，并与基于采样一致性法识别的塔座位姿信息进行对比。结果表明，相比于采样一致性法，所提出的两步校准法既提高了工件位姿的识别精度，又缩短了约76%的耗时。研究结果可为具有平面特征的工件的位姿快速校准及识别提供参考。三维点云两步校准法在先进制造业中具有广阔的应用前景。

为了实现在煤炭定量装车站装车过程中实时检测火车车厢位置，为溜槽升降提供触发信号，设计了一种基于语义分割的火车车厢位置检测模型。以FPN （feature pyramid networks，特征金字塔网络）和ResNet101 （residual network，残差网络）为主干网络，提取并融合分辨率、语义强度不同的特征图；结合基于期望最大化（expectation maximization， EM）算法的注意力机制，构建车厢上边框语义分割模型，用于过滤特征图中的噪声，提高图像边界的语义分割精度；设计位置检测模块，计算语义分割后图像中各类别的面积及其比例和车厢上边框外接矩形高度，以获取火车车厢位置信息。结果表明，所构建的车厢上边框语义分割模型在测试集上的mIoU （mean intersection over union，均交并比）为81.21%，mPA （mean pixel accuracy，平均像素精度）为88.64%，相比未引入注意力机制的语义分割模型分别提升了3.91%和7.44%。在煤炭定量装车站现场进行的火车车厢位置检测试验结果表明，基于语义分割的火车车厢位置检测模型的检测精度满足煤炭装车过程中车厢位置检测任务的要求，这为实现煤炭定量装车系统的智能化提供了新思路。

针对水平井斜井段岩屑堆积成床易造成钻柱摩阻、扭矩增大及卡钻等问题，对斜井段中岩屑床破坏器的影响规律和清洁效果进行评估分析。首先，基于CFD （computational fluid dynamics，计算流体动力学）技术，对岩屑床破坏器的清洁机理进行研究，并通过对比分析得到岩屑床破坏器的清洁效果。然后，分析了不同井斜角、钻井液排量和钻柱转速下岩屑床破坏器对水平井斜井段岩屑床的影响规律，并对岩屑床破坏器的工况参数进行优选，以更好地发挥其清洁作用。最后，通过岩屑床破坏器的现场应用来验证其清洁效果。结果表明，岩屑床破坏器对水平井斜井段井眼的清洁效果非常明显，使用后可减小钻柱的摩阻和扭矩，有效防止钻进过程中卡钻事故的发生。研究结果可为岩屑床破坏器的使用提供指导。

针对间隙对叶片辊轧机轧辊左右调整机构造成振动冲击的问题，建立了轧辊调整机构的动力学模型，采用微分几何反馈线性化方法对该动力学模型进行线性化解耦处理。在此基础之上，设计了基于干扰观测器的滑模控制器，利用MATLAB/Simulink软件对滑模控制过程进行跟踪仿真，并将滑模控制算法应用于叶片轧制现场，验证了滑模控制的有效性。研究结果表明，采用基于干扰观测器的滑模控制算法可以实现系统轨迹的高精度跟踪。所设计的的滑模控制器可以很好地实现对轧辊调整机构的控制，提高轧辊位置调整精度，从而提高叶片加工精度。

大规模定制是未来产品制造的发展方向，以低成本快速响应客户的个性化需求是定制产品设计的关键。以往对定制产品设计的研究缺少从个性化需求到产品参数的流程化设计指导方法，无法从定制产品个性化的客户需求出发，快速地关联设计目标并指导产品参数的设计。为此，提出了基于RIR-MOO （relative importance ratings and multi-objective optimization，相对重要性等级-多目标优化）的定制产品优化设计方法，从客户需求出发，将关键需求映射到相关的设计目标，再通过多目标优化（multi-objective optimization，MOO）方法快速求解产品参数，实现定制产品的快速响应和优化设计。首先，针对模糊、动态变化的客户需求，利用加权区间粗糙集分析方法对客户需求进行客观分析，排除争议性大的模糊需求，同时计算不同客户需求的相对权重，得到其相对重要性等级（relative importance ratings，RIR）；然后，提出一种基于转换矩阵的客户需求与设计目标关联的方法，根据关键需求与设计目标的关联度以及关键需求的RIR，对关键需求与设计目标进行匹配，实现关键需求到设计目标的转换；最后，基于MOO方法对设计目标对应的产品参数进行优化设计，实现约束条件下定制产品的多目标优化。以汽车发动机活塞机构优化设计为例，对基于RIR-MOO的优化设计方法的可行性进行验证。结果表明，所提出的方法可以快速响应定制产品的客户需求并指导其优化设计，可为定制化产品制造企业提供指导。

针对工艺路线规划中满足多重约束的最优方案选择问题，提出一种细菌觅食和蚁群优化（bacteria foraging ant colony optimization，BFACO）算法。首先，将工艺路线规划转化为对加工元顺序的优化问题，构造满足多种工艺准则的加工元拓扑优先顺序图，并构建了在缩短加工周期、提高加工质量和降低加工成本目标下的最低加工资源更换成本的目标函数；其次，设计加工元序列与加工资源两个搜索阶段的蚁群搜索，拓扑优先顺序图可弥补加工元序列搜索阶段信息素匮乏的缺点，而在加工资源搜索阶段引入细菌觅食优化算法的复制与趋向操作，可使加工元在多个可选加工资源的情况下获得加工资源更换成本最低的加工序列；最后，基于细菌觅食与蚁群算法的融合优化，完成多个加工元序列的信息素积累并输出最优解，解决蚁群算法局部收敛且计算速度慢的问题。将BFACO算法应用于实例并与其他优化算法的优化结果进行对比，结果显示BFACO算法在工艺路线优化方面较其他优化算法具有较高的计算效率，验证了BFACO算法的可行性与有效性。研究表明，BFACO算法可有效应用于同时考虑工艺约束与加工资源更换成本的工艺规划，为实际生产提供高效且灵活的工艺路线的优化选择。

为实现碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）油底壳的替代与制造，结合复合材料铺层可制造性分析软件FiberSim与铺层结构优化模块Optistruct，对CFRP油底壳开展了结构与制造工艺并行优化设计。参照CFRP壳体类零件的成型过程，采用FiberSim软件制定了满足制造工艺要求的CFRP油底壳铺覆方案。并在此基础上，分别以CFRP油底壳刚度最大、质量最小为优化目标，以振动模态、制造工艺要求为约束，采用Optistruct模块对CFRP油底壳的铺层结构进行优化设计。经仿真分析验证，制造工艺调整后的CFRP油底壳满足各项替代要求，且CFRP油底壳的质量较原金属油底壳减小了56.7%。所提出的结构与制造工艺并行优化设计方法可较好地兼顾结构特征、复合材料设计及制造工艺要求，为复合材料产品的优化设计提供了参考。

为改善因传统机械式机床加工运动受限而采用局部共轭接触造成的齿面接触区域小的现状，同时为提升齿面接触性能，提出了一种弧齿锥齿轮基本参数优化设计方法。基于齿轮副全齿面接触的实现方法，以齿轮基本参数为优化变量、排除啮合界限线和根切界限线（以下简称为“2类界限线”）及防止齿顶变尖为约束条件，建立了以传动润滑性能综合参数和齿面瞬时接触线总长度最大为目标的齿面接触性能多目标优化数学模型。引入更加适合模型本身的现代多目标骨干粒子群算法求解最优基本参数。以一个具体的弧齿锥齿轮为研究对象，对比基本参数优化设计前后齿面的接触性能指标。数值仿真结果表明，优化后2类界限线分布于工作齿面区域外，表征润滑性能的综合参数的最小值和表征承载能力的齿面瞬时接触线总长度的最小值都有明显提升。有限元模型仿真结果表明，优化后工作齿面无干涉且呈全齿面接触。该研究提供了一种快速可行的弧齿锥齿轮基本参数最优设计方法，为弧齿锥齿轮的优化设计提供了参考。

传统的PDC （polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头磨损预测方法未考虑切削齿温度、切削受力和磨损的动态变化过程，使得磨损预测结果存在偏差，从而导致钻头磨损后受力恶化、快速失效。为解决这一问题，基于磨料磨损理论、微积分基本理论以及迭代算法，构建了PDC钻头切削齿体积磨损量和线磨损量之间的函数关系以及切削齿隐式线磨损模型，提出了PDC钻头动态磨损趋势预测方法，并对某直径为215.9 mm的六刀翼PDC钻头展开磨损趋势预测。结果表明，当PDC钻头未磨损时，其内锥齿的初始受力较大，切削齿齿体温度普遍偏高；随着PDC钻头的不断磨损，其外锥齿的受力呈快速增大趋势，切削齿齿体温度逐渐降低。在破岩初期，PDC钻头冠顶齿的磨损最为严重，外锥齿的磨损速度最快；一段时间后，外锥齿的磨损最为严重。研究结果可为磨损钻头破岩受力特性分析、基于磨损的PDC钻头布齿设计、地热钻头设计以及钻头寿命预测等提供理论基础与支撑。

钻采深层页岩气的水平井段多为泥岩、页岩等黏性地层，为提高钻井效率和减少钻头泥包的发生，必须保证井底岩屑被快速运移，这对PDC （polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头的水力结构提出了要求。为此，基于CFD-DEM （computational fluid dynamics-discrete element method，计算流体动力学-离散单元法）耦合方法，对水平井PDC钻头井底流场进行数值模拟分析，并以岩屑滞留量和岩屑运移比作为评价指标，对直径为152.4 mm的五刀翼PDC钻头的流道形状、喷嘴数量、喷嘴排布方式及喷嘴直径等水力结构参数进行分析。最后，对水力结构改进后的PDC钻头进行现场应用。数值模拟结果表明：流道形状为抛物线型的PDC钻头具有更好的携岩性能；在总喷射面积相同的情况下，PDC钻头应采用较少数量的喷嘴；喷嘴等径排布的PDC钻头的携岩性能优于非等径排布的；在一定范围内，适量减小PDC钻头喷嘴直径有利于岩屑运移。现场应用结果表明，在同区块、同地层的多个水平井段钻进时，水力结构改进后PDC钻头的钻井效率更高。研究结果可为PDC钻头结构优化提供参考。

磨损区域静电传感器常用于航空器关键部件磨损的在线监测。为了对该新型传感器的监测性能进行研究，建立了棒状磨损区域静电传感器的数学模型及其性能测试平台，对传感器的空间灵敏度、工作效率、有效视场等特性参数进行了仿真计算和测试。结果表明：空间灵敏度随着探极感应面半径的增大而增大；工作效率随着径距比的增大而增大；工作效率的仿真值与测试值的变化趋势一致，证明了所建磨损区域静电传感器数学模型的正确性；有效视场随着探极感应面半径的增大而增大。研究结果对新型磨损区域静电传感器的设计优化及其应用具有重要的指导意义。

海底管缆存在悬空、裸露等隐患，对悬空、裸露管段进行底部抛砂掩埋是主要的治理方法。目前，抛砂掩埋时多采用人工抛砂或履带散砂抛投方式，存在抛砂位置不准确、抛砂轨迹不易控制等问题，因此需研制可实现定点抛砂且抛砂轨迹可控的高效率抛砂设备。为了提高抛填精度，研制了一种具有定位定向功能的新型抛砂回填装置。为了阐明新型抛砂回填装置的定位和轨迹控制原理，利用有限元分析方法计算了其关键零部件的强度，并通过陆上和海上定向抛投试验分析了该装置的抛砂效果和探究其抛填精度高的原因。结果表明，新型抛砂回填装置通过伸缩投放机构将砂袋抛投至海底管缆悬空区域，实现了抛填位置的精确定位，同时利用伸缩投放机构的框架式结构实现了抛砂轨迹可控；装置关键零部件强度可靠且抛砂效果符合管线防护要求，抛填精度可达±1.2 m，既提高了抛砂效率又降低了施工成本。新型抛砂回填装置能够解决目前海底管缆悬空治理所面临的难题且可保障施工安全，这为浅海油田悬空管缆治理提供了可靠的技术支持。

目前常规使用的舵轮和差速轮自动导引车（automated guided vehicle，AGV）的精度和灵活性低，无法满足在大型高端产品装配过程中精确定位和导航的要求。为了进一步提高AGV的导航精度和柔性，提出了一种基于IGPS （indoor global positioning system，室内全球定位系统）和麦克纳姆轮的AGV高精度导航控制系统。首先通过IGPS高精度定位和坐标计算获取IGPS接收器的位置坐标，其次采用车体中心提取算法和坐标转换矩阵实现接收器坐标位置到车体中心坐标的转换，最后通过对全向移动AGV的建模，采用模糊PI控制方法对AGV的路径偏差进行纠正，实现AGV的精确定位和循迹导航。利用Simulink对模糊PI控制和传统PI控制进行仿真分析，结果表明，相对于传统PI控制，模糊PI控制响应速度快，调整曲线更平滑。同时，在基于IGPS的AGV试验平台进行试验，采用激光跟踪仪对AGV重复定位位置进行测量，结果显示定位精度达到±0.2 mm。研究结果对提高AGV的高精度定位能力具有借鉴意义，也为后续可移动机器人加工模式的研究提供参考。

汽油发动机双回路冷却系统由于其快速暖机以及减磨的优点，已逐渐被业界认可，但国内对其工程设计及应用尚属于起步阶段，缺乏相应完善的设计理论和方法。为了满足轻型汽车污染物排放限值（中国第六阶段）的要求以某1.5 T直列四缸汽油发动机为研究对象，对机体、缸盖双回路冷却系统进行了研究。首先，在按经典公式计算的基础上，通过燃气侧对机体、缸盖散热量的计算，初步确定了机体、缸盖双回路冷却介质的流量分配比例。其次，通过一维流动传热和基于CFD （computational fluid dynamics， 计算流体动力学）的三维联合仿真，确定了最终冷却回路的流量分配。在此基础上，通过一维瞬态流动传热模型仿真对比了单回路和双回路冷却系统在暖机阶段的性能。结果表明：双回路冷却系统中机体的温度比单回路高10 ℃，缸盖的温度比单回路低9.6 ℃，双回路冷却可以显著加快发动机的暖机过程，使发动机在冷启动期间的磨损减小。最后，进行了流量分配验证试验和暖机对比试验，结果表明：在暖机过程中，与单回路冷却系统相比，双回路冷却系统可以使机体温度上升更快，活塞与缸套摩擦减小；在此阶段，怠速工况下油耗降低20.2%，HC（碳氢化合物）排放量降低7.58%，常用工况点（2 000 r ? min-1，200 kPa）下油耗降低8.5%，HC排放量降低10.03%。研究结果可为发动机冷却系统的设计优化提供参考。