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。

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。

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。

采用常规煤矿巷道三维点云信息地图建模方法得到的点云数据庞大而繁杂，运算量很大，因此提出了基于激光扫描和三维栅格地图的掘进机截割成形三维扫描系统和掘进巷道空间建模方法。将点云数据与三维栅格进行映射，将巷道空间划分为有限个栅格，构成巷道空间三维栅格地图，并将三维栅格地图划分为多个功能区域。通过三维扫描激光雷达坐标系与巷道坐标系的转换，实现了将激光雷达获取的点云数据转换为巷道外轮廓数据，来分析掘进机截割的超挖和欠挖误差。实验表明，当三维栅格边长设定为10 cm时，采用由截割成形巷道三维栅格地图建模方法得到的栅格地图指导掘进机自主截割作业，相比采用常规点云地图可减少84.7%的数据处理量，极大减轻了截割控制系统处理器的负担。研究结果为基于激光雷达三维扫描的掘进机自主截割作业系统的设计及应用提供了依据。

随着我国油气勘探逐步向深层、超深层和复杂难钻岩层转移，现有的机械钻头存在着破岩效率低及作业成本高等问题。因此，提出了一种新型激光-PDC钻头，以实现高效破岩和节能降耗。采用有限元方法，基于岩石HJC（Holmquist-Johnson-Cook）本构模型，建立了激光-PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头联合破岩非线性动力学模型，开展了激光-PDC钻头联合破岩仿真研究。仿真结果表明：激光的辐射作用使岩石表面受辐射区域产生了较高的温度和较大的预应力，进而在岩石表面形成了相互贯穿的损伤带，降低了岩石强度，更有利于切削齿破碎岩石；与无激光单PDC钻头相比，激光-PDC钻头在破岩过程中受到的反扭矩降低了24.8%，钻头轴向加速度波动幅度降低了10.5%，钻进位移增加了8.67 mm，钻进速度提升了112.79%。搭建了激光-机械联合破岩实验台架，进行了激光-PDC钻头联合破岩实验。实验结果表明，激光-PDC钻头联合破岩有着更好的钻进稳定性和连续性，大大提高了破岩效率。研究结果为激光-机械破岩技术的发展和应用提供了一定的理论支撑和技术支持。

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。

为了实现爬杆机器人的结构紧凑和轻量化设计，以及克服垂直爬杆运动困难的问题，可通过减小零件厚度的方法来进行减重，但这会造成局部应力集中，导致机器人结构刚度不足。为此，从尺蠖的形态出发，对爬杆机器人的主要结构进行SIMP（solid isotropic material with penalization，具有惩罚作用的固体各向同性材料）变密度拓扑优化设计，在保证机器人整体性能的基础上实现轻量化设计。首先，选取爬杆机器人的夹持器与T关节等主要部件为对象，通过ADAMS仿真软件对3种运动步态进行动态仿真，模拟了在极限工况下3种运动步态引起的载荷变化。然后，根据极限工况载荷等信息设置边界条件，通过ANSYS Workbench软件中的Topology Optimization模块对爬杆机器人进行SIMP变密度拓扑优化，去除机器人结构中受载荷影响微小的冗余材料，对优化后的机器人模型进行重构并与优化前对比。结果表明，在爬杆机器人整机质量减小了7.6%（由13.60 kg减小为12.57 kg）的同时，受力较大的夹持器和T关节的综合性能有所提高。能耗测试实验结果表明，优化后爬杆机器人的运行能耗比优化前降低了7.0%。所提出的SIMP变密度拓扑优化方法在仿生爬杆机器人的结构设计中具有较高的参考价值。

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。

为设计助力效果良好的被动式下肢外骨骼，基于对人体行走的运动和力学特征以及相关主要肌群的力学表现的分析，提出了一种下肢外骨骼优化设计方法。通过开展人体行走实验，获取人体运动学信息和足底反力，并将其用于驱动Anybody仿真，从而得到人体行走过程中下肢肌肉的力学数据。借助Hill肌肉模型建立人体矢状面内的髋关节肌肉-肌腱-骨骼简化模型，并在该模型中添加虚拟扭簧以模拟助力外骨骼的作用，形成人体-外骨骼一体化模型。在此基础上，对穿戴助力外骨骼行走时的人机交互力以及穿戴者的肌肉激活情况进行量化分析。建立以扭簧刚度为变量的肌肉激活程度、代谢能计算模型，并以代谢能最低为目标，利用粒子群算法对虚拟扭簧的刚度进行优化以获得最优值。据此，提出髋关节助力外骨骼机构设计方案，并以机构的辅助力矩与虚拟扭簧力矩差值最小为目标进行优化，得到机构中拉簧刚度和各个连杆尺寸的最优值，作为外骨骼机构设计参数。同时，制作髋关节助力外骨骼样机并开展助力行走实验。结果表明，穿戴该助力外骨骼行走时人体代谢能降低效果显著。研究方法可为其他下肢外骨骼的设计和分析提供借鉴。

核电站乏燃料水池覆面板焊缝与母材交界面处的裂纹会严重影响设备的运行安全。考虑焊缝的真实特性，提出采用交流电磁场检测（alternating current field measurement，ACFM）技术来检测焊缝裂纹，以提高裂纹检测的灵敏度。首先，采用COMSOL软件建立了焊缝裂纹检测模型，分析了焊缝裂纹区域的磁场特征信号；其次，在实验试件焊缝与母材交界面处预置与数值仿真一致的人工裂纹，进行焊缝裂纹ACFM实验；最后，制作了焊缝裂纹检测系统，并进行了其性能测试。仿真、实验和测试结果表明：ACFM方法能够有效识别焊缝与母材交界面处平行于焊缝方向的裂纹，而不能识别垂直于焊缝方向的裂纹；通过焊缝裂纹检测系统测试得到的裂纹检测长度的偏差小于探头检测实验的偏差，但两者比较接近，证明了焊缝裂纹检测系统设计的合理性。ACFM能够实现乏池覆面板对接焊缝裂纹的定量化检测，满足现场高灵敏度的使用要求。

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。

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。