在微创手术机器人系统中，传统线驱动式手术器械的偏摆关节与夹持器的转动关节之间存在运动耦合，这会对手术器械的运动精度产生不良影响。为此，提出了一种新型的四自由度线驱动式手术器械，其偏摆关节采用行星齿轮式结构，以实现偏摆关节与夹持器之间的运动解耦。首先，对传统线驱动式手术器械的关节运动耦合问题进行了分析。然后，设计了行星齿轮式转动的偏摆关节，并通过几何理论分析证明了其具有极低的关节耦合性，且钢丝绳在运动过程中的受迫形变量极小；同时，通过标准D-H参数法建立了新型手术器械的正运动学模型，并利用解析法求得了其逆运动学的封闭解。最后，分别使用MATLAB软件的Robotics Toolbox和Simulink环境中搭建的仿真模型对手术器械的正、逆运动学模型的准确性进行了验证，并采用蒙特卡罗法分析了其工作空间。仿真结果表明，所提出的手术器械的结构设计可靠，关节之间的运动耦合性较低，其工作空间能够满足微创外科手术的要求。研究结果可为柔性线驱动式手术器械的结构设计与运动学分析提供参考。
针对长运距大型带式输送机托辊故障频发，托辊更换工作导致停机停产，以及传统人工更换托辊方式效率低、设备单一等问题，以王家岭煤矿主平硐带式输送机为研究对象，提出了一种可实现不停机更换托辊的机器人，以提高托辊更换效率。皮带举升机构是更换托辊机器人的重要部件，基于该机器人的功能需求以及带式输送机空间狭窄、皮带载荷大等特点，设计了剪叉式皮带举升机构。首先，利用SolidWorks软件构建了剪叉式皮带举升机构的三维模型，基于带式输送机参数计算得到举升皮带的工作载荷后，对皮带举升机构进行受力分析。然后，采用SolidWorks Motion模块对皮带举升机构进行运动学仿真分析，同时利用ANSYS Workbench有限元软件对其进行静力学仿真分析。最后，开展地面试验和井下试验，以验证所设计的皮带举升机构的可行性。地面试验结果表明，在20~60 kN载荷下，皮带举升机构竖直位移的实测结果与仿真结果的匹配精度为6%~15%，验证了其主体结构的承载能力满足设计要求；井下试验结果证明了皮带举升机构设计的合理性和可靠性。剪叉式皮带举升机构的承载能力和举升高度均符合更换托辊机器人的功能需求，是实现带式输送机不停机更换托辊的关键技术突破。
针对机器人在复杂地形环境下定位不准确、建图精度不高和误差堆积等问题，设计了一种基于优化Hector-SLAM（simultaneous localization and mapping，实时定位与建图）算法的自主导航系统，以实现机器人在及时躲避障碍物的同时准确到达目标点。首先，采用双三次插值法代替原有插值法，以解决Hector-SLAM算法在使用低精度激光雷达数据建图时易出现地图不清晰等问题，从而提升扫描匹配的精准度。其次，采用扩展卡尔曼滤波算法对里程计和惯性测量单元的数据进行融合，以提高定位的准确性。再次，针对激光点数据无法瞬时获得而机器人持续运动所导致的运动畸变问题，结合里程计辅助法与PL-ICP（point to line iterative closest points，点到线迭代最近点）配准法，以实现运动畸变的校正；同时，设置倾斜角阈值以消除地图重影，并利用A*算法和动态窗口法规划最优路径。最后，以AGV（automated guided vehicle，自主导引车）为例，在实际场景中开展建图实验和自主导航实验。结果表明，优化后自主导航系统的平均建图相对误差约为0.44%，最小建图误差为0.236 m，较优化前减小了0.041 m，有效地解决了因误差堆积和运动畸变而导致的建图不清晰问题，增强了AGV在复杂地形环境中的适应能力，实现了高精度定位。研究结果对提高移动机器人在室内多障碍物环境下的自主导航能力具有一定的理论和工程意义。
针对在移动机器人跟随目标的过程中目标消失的情景，提出了基于视觉跟踪与自主导航的机器人目标跟随系统。将机器人跟随问题分为目标在机器人视野内时的常规跟随和目标消失后的自主导航两种情况。对于常规跟随，通过卡尔曼滤波器预测目标运动状态，采用行人重识别网络提取外观特征，通过数据关联融合运动信息和外观特征后进行目标跟踪，再通过伺服控制进行跟随。对于自主导航，基于目标消失前与机器人的相对位置，采用自主导航算法，使机器人移动到目标消失位置附近进行搜索，来提高对目标的跟随成功率。将提出的算法在OTB100公开测试集和机器人应用场景下的跟随测试集中进行评估，并在移动机器人平台上进行实验，结果表明，机器人可以在不同照明条件、背景行人较多的环境中跟随目标，验证了所提算法的稳健性和有效性，同时可满足实时性要求。研究结果可为机器人在目标消失后再跟随问题的研究提供参考。
为了解决采用遗传算法解析最优路径中存在的转折点较多、易陷入局部最优解、迭代次数较多以及寻优时间过长等问题，引入自适应交叉算子和变异算子，将改进后的跳点搜索（jump?point?search）算法与改进遗传算法融合，得到跳点搜索-遗传（jump?point?search-genetic，JPSG）算法。JPSG算法利用JPS算法的高效局部搜索能力来提高整体搜索能力，加速算法整体收敛趋势；利用改进遗传算法的全局搜索能力改变JPS算法不能在复杂障碍物状况下解析最优路径的状态，提高算法对动态环境的适应性。在栅格矩阵中的路径规划仿真表明，相比于改进遗传算法、传统遗传算法，JPSG算法可以有效缩短寻优执行时间，提高寻优准确率，减少运算执行次数，在稳定性、准确性、快速性上具有明显的优势。
针对快速搜索随机树（rapidly-exploring random tree, RRT）算法在避障路径规划中存在的对地图适应性弱、采样质量差、无效节点多、规划时间长及路径质量差等问题，提出了一种改进RRT算法。首先，在传统RRT算法的基础上，基于地图复杂程度评估策略计算得到合适的步长及偏置概率，以实现对不同地图的自适应。然后，通过采样区域动态更新策略，使随机树在有效区域内进行采样，以确保随机树的正向生长；在确定采样区域后，利用采样点优化策略来提高采样点的有效性，使得随机树朝目标点附近生长。最后，采用节点重连策略对规划的初始避障路径进行优化，以获得一条弯折次数较少的避障路径。在Python及MATLAB环境中对改进RRT算法的可行性进行验证。结果表明，在面向复杂程度不同的地图和应用于机械臂时，改进RRT算法均能快速规划出一条无碰撞的高质量路径。研究结果可为提高机器人避障路径的规划效率提供参考。
针对负流量挖掘机执行机构响应速度慢以及分工况控制能量利用率低的问题，提出了一种电控正流量挖掘机的分阶段控制策略。将挖掘机的一个作业循环分为4个阶段：挖掘阶段、满载返回阶段、卸载阶段和空载返回阶段。基于AMESim和Simulink软件搭建了电控正流量挖掘机联合仿真模型，其液压系统采用分层控制方法。其中，上层控制器根据电控手柄信号计算得到挖掘机执行机构的流量需求，并通过判断执行机构的状态来判断挖掘机的作业阶段，从而确定发动机的基速。下层控制器接收来自上层控制器的发动机基速，并采集挖掘机主供油泵的压力信号，利用模糊控制算法对发动机的转速进行修正，以得到发动机的期望转速；同时采用滑模PID（proportional-integral-derivative，比例-积分-微分）控制来稳定发动机的工作转速。最后，通过联合仿真和实车实验来验证所提出的控制策略的有效性。仿真结果表明：在正流量挖掘机的一个作业循环内，发动机的转速能稳定在期望转速附近，其油耗为192~220 g/(kW·h)。实验结果表明：相较于分工况控制，分阶段控制在挖掘机一个作业循环内的各个阶段均能保证发动机在经济油耗区工作。所提出的方法为电控正流量挖掘机的控制研究提供了新方向和参考。
针对目前掘进机截割时因产生大量振动而导致零部件受损及稳定性降低的问题，基于纵向截割工况，对新型纵轴式掘进机的振动特性进行分析和预测。首先，对掘进机截割头的受力进行分析，并运用Bekker沉陷理论对履带受力进行分析。然后，将履带与底板之间的接触力和截割载荷作为外部激励，采用拉格朗日方程建立掘进机的纵向非线性动力学模型。接着，基于Runge-Kutta变步长算法，利用MATLAB软件对掘进机动力学模型进行求解，并将求解结果与实验结果进行比较，验证了动力学模型的正确性。最后，利用所构建的动力学模型对不同支稳机构刚度下掘进机关键部位的振动位移进行预测。结果表明：在多个外部激励的复合影响下，掘进机整机的振动处于混沌状态，其横滚振动位移很小，俯仰振动占主导地位；随着支稳机构刚度的递增，掘进机关键部位的振动位移呈显著减小趋势，当支稳机构的刚度增大至初始刚度的3倍时，掘进机机身的振动位移减小了29%，截割臂振动位移减小了22%，截割头振动位移减小了20%。研究结果证明增大支稳机构刚度可有效减小掘进机的振动响应，这可为掘进机的稳定性提升和结构优化提供理论依据。
游隙是评价滚动轴承精度和质量的关键因素之一。科学合理地选择游隙有利于延长轴承寿命，而传统基于工程经验的游隙确定方法往往缺乏理论依据和可靠性。由此，提出了基于应力-强度干涉模型的滚动轴承径向游隙可靠性设计方法。首先，将轴承原始径向游隙和失效径向游隙看作随机变量，构建轴承二维随机干涉模型；其次，针对工程中常用的服从正态分布、对数正态分布、指数分布和Weibull分布的轴承原始径向游隙和失效径向游隙，推导了求解滚动轴承可靠性的解析式以及在给定可靠度下轴承径向游隙置信区间；最后，将求得的16004深沟球轴承径向游隙置信区间与现行国家标准对比，结果验证了所提出方法的有效性和适用性。研究表明：采用所提出方法设计的滚动轴承径向游隙置信区间符合国家标准，且更加合理可靠；可以设计出任意可靠度下的轴承径向游隙置信区间，为滚动轴承的设计和优化提供了理论支撑。
锤片磨损失效是锤片式转子常见的失效模式。为了探究锤片的磨损规律，对锤片磨损失效可靠性进行分析。采用CFD（computational fluid dynamics, 计算流体动力学）、DEM（discrete element method, 离散元方法）与Archard磨损模型耦合方法对锤片磨损过程进行数值模拟，借助偏最小二乘法拟合锤片累积磨损量曲线，建立了锤片累积磨损数学模型。在此基础上，基于应力-强度干涉模型与蒙特卡洛方法对锤片磨损过程中的动态可靠度进行计算与分析。结果表明：锤片累积磨损量随时间近似呈线性递增；采用所建的数学模型算得锤片的累积磨损量为16.09 mm，其与实测值的相对误差为8.76%，说明所建立的锤片累积磨损量预测模型基本准确；在工作时间超过110 h后，锤片的磨损失效可靠度逐渐降低；在达到极限工作时间120 h时，锤片的磨损失效可靠度为0.94。研究结果可以为锤片磨损规律的研究与动态可靠性优化提供参考。
为了研究轮轨激励对制动盘温度场分布及闸片表面磨损的影响，建立了高速列车动力学模型。通过动力学仿真，得出紧急制动工况下制动盘垂向和横向振动幅值；将振幅作为输入条件，导入制动盘热-机耦合有限元模型，分析有、无轮轨激励时制动盘径向、轴向和周向各节点的温度变化规律。基于制动盘热-机耦合有限元模型，结合Umeshmotion磨损子程序，对闸片表面进行ALE车轮非线性临界速度网格自适应处理，实现闸片表面磨损深度的计算，并对比分析有、无轮轨激励对闸片表面磨损深度的影响。仿真结果表明：与无轮轨激励相比，在轮轨激励下制动盘径向、轴向和周向各节点温度降低，且周向各节点在同一时刻达到最高温度，径向和轴向各节点达到最高温度的时间缩短；闸片表面径向和周向各节点的磨损深度增大，加剧了闸片表面的磨损，减少其使用寿命。研究结果可以为更加精准地预测闸片使用寿命提供一定的参考。
为提升少自由度并联机构设计的效率和准确性，针对自主设计的3-PUU并联机构进行了理论分析和实验研究。首先，利用螺旋理论和修正的Kutzbach-Grubler公式分析了并联机构的自由度；同时，解算了并联机构的运动学正反解和雅可比矩阵，并基于雅可比矩阵分析了其约束奇异和运动奇异。然后，利用极限边界搜索法分析了并联机构的工作空间，并以雅可比矩阵条件数的倒数作为局部灵巧度来构造全局灵巧度，分析了并联机构的运动性能。接着，搭建了并联机构的ADAMS/Simulink联合仿真模型，基于给定的动平台运动方程，通过仿真得到了动平台位置的仿真曲线及误差曲线。最后，利用并联机构样机、PC（personal computer，个人计算机）、STM32单片机、伺服电机及激光跟踪仪搭建了实验平台，并测定了并联机构动平台的位置曲线。结果表明，该并联机构具有较大的可达工作空间且其运动性能较好；通过对比理论结果与仿真结果可知，所构建的并联机构运动学模型正确；动平台位置的实测值与理论值之间存在一定误差，主要原因是并联机构存在机械误差以及控制系统精度不足，但实测曲线与理论曲线的变化趋势基本一致，进一步验证了并联机构运动学模型的正确性。研究结果可为少自由度并联机构的设计提供参考。
目前，针对往复泵的振动研究主要集中在动力端的曲轴以及曲柄连杆机构上，缺乏对液力端流致振动的研究。然而，超高压负载下的流致振动会影响往复泵的可靠性。为此，基于UDF（user define function，用户自定义函数）和Scheme脚本语言建立了能完整模拟吸入冲程和排出冲程的往复泵单缸仿真模型，并以流量和阀盘位移的理论曲线验证了仿真模型的正确性。同时，对不同的弹簧预紧力、弹簧刚度、限位器高度、曲柄转速和排出压力下往复泵单缸所受的流体激振力、腔内压力及阀盘运动随时间的变化情况进行了研究。结果表明，往复泵液力端的流体激振力是由柱塞腔内压力超调量瞬间释放所导致的；流体激振力最值出现在吸入阀开启之后，而非排出阀开启之后；现有结构参数下液力端最大的压力超调量和流体激振力分别为6.75 MPa和15.3 kN。基于往复泵单缸仿真模型的分析方法可用于往复泵流体激振力、阀盘运动和工作性能的预测，能有效减少超高压往复泵的研发周期和试验成本。
驱动轴扭矩测试是汽车底盘（含轮胎）阻力拆解与能量流分析的主要手段。针对整车驱动轴扭矩快速测试的需求，开发了能应用于不同车型的测试系统。首先，设计了驱动轴扭矩测试系统的整体架构，其包括传感总成、无线采集总成和标定台架等，并对关键硬件进行选型；其次，采用双轴布片组桥技术设计了可实现宽温域温度补偿和轴向弯矩解耦的传感部件，并开发了可适应狭小空间的可充电轴套，轴套整体采用3D打印技术制作，能够支持20 h以上的测试续航要求，满足了传感部件的布置、供电和抗热辐射要求；然后，设计了适用于加载后驱动轴大轴向角变形工况的快速标定试验台；最后，对所开发的扭矩测试系统进行标定，并进行了道路试验和转鼓试验。研究结果表明，驱动轴扭矩标定的线性度达到99.811 %，测试系统性能良好，测试精度较高。所设计的整车驱动轴扭矩测试系统具有标定及测试快速，关键传感模块可移植、可重复使用等优势，具有较高的应用价值。
摘要
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