机械装备由于智能化程度不够高，难以完成较为复杂的作业任务，并且装备间协同运行的机制尚不明确。由此，将边缘计算、数字孪生和多智能体技术相结合，提出了一种边缘计算和数字孪生融合驱动的多机高效协同运行方法。首先，构建了终端物理装备Agent和边缘孪生系统Agent，设计了一种适用于各类智能化机械装备的边端虚实共生系统；然后，提出了一种双层分布式协同运行机制，其既可在单一装备中独立运行，又可通过物理直接交互和虚实间接交互两种交互模式实现多机协同运行；最后，基于实验室现有装备，构建了探测机器人和作业机器人的边端虚实共生系统，并通过机器人协同作业实验，验证了边端虚实共生系统和双层分布式协同运行机制的有效性。所提出的方法既可以提高装备的感知、决策、控制能力，又为多机高效协同运行提供了有力支持。

生物3D打印为皮肤损伤提供了新型治愈方法，然而真实皮肤结构所具有的三维形态显著异质性导致现有的打印方法难以实现真实皮肤打印。因此，将Stewart并联机器人与生物3D打印技术相结合，设计了双喷头曲面皮肤打印系统。首先，为了获取Stewart并联机器人的工作空间，求解系统逆运动学可行域，结合并联机器人支链长度、铰链转角以及支链间干涉等约束条件，得出了并联机器人动平台在不同条件下的可打印角度和有效范围。其次，为了验证打印系统工作空间的准确性，建立了打印系统仿真模型，通过控制6条支链的运动，求解系统的运动学正解，得到了喷头的移动距离。经过逆解运算和正解仿真得出，皮肤打印系统理论上可打印最大角度为26°和最大面积为142 mm×134 mm的皮肤结构。然后，采用具有良好生物相容性的2种颜色的GelMA水凝胶，利用打印系统打印出左右对称的五角星结构、边长为18 mm的水平双层结构和角度为18°的曲面双层结构。最后，为了验证打印系统的功能性和实际应用价值，进行载细胞打印，得到了打印后细胞的成活率和生长状况。该研究有望为真实皮肤的打印提供一种有效的方法。

为提升盾构管片自动拼装过程中位姿检测系统的精度和环境适应能力，提出了一种融合线激光传感器与RGB-D相机的高鲁棒性多源定位方法。在感知层面，利用5个线激光传感器提取管片的边缘特征，并结合几何模型推算其弧边与直边交点的坐标，以实现对管片位姿的估计；同时，设计靶标系统，借助RGB-D相机获取管片图像与深度信息，并通过坐标变换来解算靶标相对于拼装机器人末端的空间姿态。针对单一传感器易受环境干扰的局限性，提出了改进的自适应加权融合（improved adaptive weighted fusion, IAWF）算法，基于观测支持度和测量方差动态调整权重，以实现高精度与高鲁棒性的融合定位。最后，通过仿真来验证IAWF算法在传感器异常条件下的稳定性与优越性；同时，构建融合定位实验平台，评估IAWF算法在正常、低光照及线激光测量数据异常等多种工况下的定位性能。结果表明，所提出的融合定位方法在保持高测量精度的同时显著提升了管片位姿检测系统在复杂环境下的抗干扰能力，平均位置误差降低了28.4%，平均姿态误差降低了34.2%，优于单一传感器的测量效果；管片拼装的最大错台和最大间隙分别为4.8 mm和4.6 mm，满足实际工程要求。研究结果为盾构管片自动化拼装的智能感知系统设计提供了理论依据与技术支撑。

由于软体机械臂固有的柔顺性与低刚度，其在空间运动中展现出复杂的形态变化，现有测量方法难以实现这类机械臂的位姿测量。为解决上述问题，提出了一种结合双目视觉技术和B样条曲线拟合的新方法，旨在准确测量软体机械臂的几何参数。该方法通过双目视觉系统提取软体机械臂中心骨架的三维信息，并采用三次B样条曲线进行三维形状重构，进而获得软体机械臂的关键几何参数。为了验证所提出方法的有效性，对圆弧形、S形弯曲、L形弯曲的软体机械臂进行几何参数测量。测量结果表明，在平面上运动的机械臂的平均弯曲曲率误差为0.198%，平均弯曲角度误差为0.159%；在三维空间中运动的机械臂的平均弯曲角度误差为1.340%。此外，该测量方法能扩展为动态测量方法，在视觉有遮挡的情况下也能准确地测量软体机械臂的几何参数。基于双目视觉和B样条曲线拟合的测量方法可为软体机械臂的参数测量提供一种新思路。

针对在复杂未知环境中复合机器人路径规划效率低下、路径冗余等问题，提出了一种结合改进A*算法与动态窗口法（dynamic window approach, DWA）的新型算法。首先，通过引入动态惯性权重系数，对A*算法的启发式函数进行实时调整，以实现搜索初期的加速和后期的全局最优逼近。同时，引入Open List节点访问时间阈值机制，以避免算法陷入局部最优解，并构建了不同尺寸的栅格地图，采用MATLAB软件对改进A*算法进行了仿真验证。其次，将改进A*算法与DWA进行融合，以实现动态避障与全局路径跟随的协同。最后，在ROS（robot operating system，机器人操作系统）仿真环境和真实环境中对改进A*-DWA融合算法进行了实验验证。实验结果显示，相较于传统A*-DWA融合算法，采用改进A*-DWA融合算法可使规划路径缩短27.57%，转折点减少40%，耗时缩短31.03%，复合机器人的速度变化更稳定。改进A*-DWA融合算法不仅具有全局最优路径规划性能，还具备动态适应性，使机器人具有较高的避障成功率，能够满足复杂未知环境下复合机器人路径规划的需求。

针对复杂非结构化环境下移动机器人的折展能力与多模式适应性不足的问题，提出了一种由可变径平台和4-URU并联机构组成的可变径多模式移动并联机器人。首先，基于凸轮机构的特性设计了由多根径向伸缩杆组成的可变径平台，并分析了其结构与受力特性。然后，结合可变径平台的伸缩特性，以4-URU并联机构为主体构建了多模式移动并联机器人，并基于螺旋理论对4-URU并联机构的自由度进行了分析，得到了不同运动模式下的自由度及切换方法。在此基础上，采用ZMP（zero moment point，零力矩点）理论对机器人在各模式下的稳定性进行了评估。最后，通过ADAMS仿真和样机实验验证了机器人在窄缝穿越、单环滚动及双轮越障等模式下的越障性能与稳定性。结果表明，所设计的移动并联机器人兼具良好的折展能力与多模式适应性，可为复杂环境下多功能移动机器人的设计与应用提供新思路。

由3个平行且共面的移动副驱动的3-P(2-SS)型并联机器人相对传统构型更适合在狭长区域作业。针对该机器人，构建了其运动学方程和雅可比矩阵，并分析了其运动学方程的多解性。利用其运动学方程和螺旋理论，证实了在正常工况下机器人动平台始终只有3个平移自由度，并简化了机器人的运动学方程和雅可比矩阵。利用雅可比矩阵条件数分析了机器人的灵巧性，当2侧的滑块位于动平台同侧时，机器人的灵巧性较好；机器人在奇异点和运动范围边界附近时灵巧性较差。基于拉格朗日方程构建了机器人动力学模型，利用最小角速度假设解决了连杆的局部自由度带来的动力学不确定问题，通过动坐标系变换解决了连杆惯性张量相对静坐标系的不恒定问题，得到了机器人动力学方程。通过动力学计算结果与运动仿真结果的对比，证实了动力学方程的正确性，最小角速度假设导致的驱动力计算结果误差在可控范围内。研究结果表明，驱动副共面平行的3-P(2-SS)并联机器人具有良好的操作性，提出的动力学建模方法为该型机器人力控制系统的构建提供了理论基础。

涉核作业机器人的齿轮传动链较长，自重较大。为了评估自重和负载导致的机器人末端变形情况，以进行设计优化和变形补偿，需要研究机器人刚度与末端变形。首先，通过分析涉核作业机器人的结构及传动原理，基于D-H（Denavit-Hartenberg）法设立了考虑关节偏置的机器人连杆坐标系，并进一步建立了机器人运动学模型；其次，针对机器人因自重和负载作用产生的关节力矩和末端变形，提出了一种将机器人传动关节视为柔性部件来求解关节扭转刚度、基于伯努利-欧拉梁假设理论求解机器人连杆刚度的求解方法，综合得到了机器人末端变形模型；最后，通过有限元方法对机器人末端变形进行仿真分析，并进行了实验测试，验证了末端变形模型的准确性。所提出的机器人末端变形建模方法对机器人的设计优化和末端变形补偿具有一定的借鉴价值。

针对传统机械臂在执行任务时存在工作效率低，以及易产生冲击和振动而造成机械疲劳损坏等问题，提出了一种基于改进麻雀搜索算法（sparrow search algorithm, SSA）的机械臂多目标轨迹优化方法。以六自由度AR4机械臂为研究对象，采用分段式3-5-3多项式插值法构建其运动学模型。然后，基于融合Tent-Logistic混沌映射、改良精英反向学习策略及柯西-高斯变异策略的新型改进SSA（newly improved SSA, NISSA），对机械臂各关节的运行时间和冲击进行多目标协同优化。最后，与其他优化算法进行对比实验，以验证NISSA的有效性。实验结果表明，应用NISSA优化后，机械臂的运行时间缩短了17.8%，运行中产生的冲击减小了12.9%。研究结果为机械臂的轨迹优化提供了高效的方法。

针对二维压电精密运动平台普遍存在的驱动频率受限及输出行程不足等问题，基于频响特性与输出行程协同提升的策略，结合杆式放大原理设计了一种新型的二维压电精密运动平台。首先，开展了柔性铰链构型对位移放大性能影响的定量分析，并基于矩阵位移法建立了精密运动平台的静/动力学一体化模型。然后，针对精密运动平台位移输出及动态响应特性的提升需求，从柔性铰链的尺寸参数入手，结合敏感度分析和约束优化方法对关键设计变量进行了排序和优化，并利用ANSYS Workbench软件对精密运动平台的位移放大倍数和固有频率进行了有限元仿真。最后，通过实验验证了优化后精密运动平台静/动力学一体化模型的准确性。实验结果表明：精密运动平台的一阶固有频率为2 123 Hz，与仿真值2 172 Hz的相对误差为2.256%；在不同输入位移下，平均位移放大倍数为2.771，与仿真结果的相对误差为7.910%。当输入电压为120 V时，精密运动平台的输入位移为9.620 μm，输出位移为28.805 μm，对应的位移放大倍数为2.994，与仿真值3.009的相对误差为0.499%。所设计的精密运动平台表现出良好的位移放大性能和快速响应特性，且结构相对紧凑，具有一定的实际应用价值。

针对传统液压阻尼器刚度系数、阻尼系数固定以及减振性能不佳等问题，设计了一种变刚度变阻尼磁流变阻尼器，通过将2个刚度系数不同的弹簧分别与磁流变阻尼器串、并联，以实现刚度和阻尼力的连续可调。首先，阐述了变刚度变阻尼磁流变阻尼器的工作原理，并建立了其阻尼力数学模型和动力学模型。随后，以刚度可调范围、输出阻尼力及其可调范围为目标，基于NSGA-Ⅲ（non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅲ，非支配排序遗传算法-Ⅲ）对变刚度变阻尼磁流变阻尼器进行多目标优化设计，并对优化前后的磁流变阻尼器进行了仿真分析和性能对比。结果表明，当加载电流为2.0 A时，优化后的输出阻尼力可达1 188.2 N，比优化前提升了29.5%；阻尼力可调系数由4.1提高到4.6，刚度可调系数由3.2提高到5.3，比优化前分别提升了12.2%和65.6%；优化后磁流变阻尼器的刚度和阻尼性能均显著提升。所设计的变刚度变阻尼磁流变阻尼器结构紧凑且刚度系数和阻尼系数连续可调，可为车辆悬架或建筑隔振系统中磁流变阻尼器的设计与优化提供参考。

针对特高压大荷载绝缘拉棒笨重、使用不便的问题，提出了一种绝缘拉棒端头多目标优化方法，以减小质量和提升绝缘性能及机械性能。首先，建立绝缘拉棒的有限元仿真模型，分析了其端头的电场分布和机械特性。然后，基于最优拉丁超立方抽样试验设计方法和径向基神经网络，构建了绝缘拉棒端头质量、最大应力、最大形变量和最大电场强度的代理模型。在此基础上，采用MOMVO（multi-objective multi-verse optimization，多目标多元宇宙优化）算法开展了多目标优化设计。在优化过程中，结合Sine-Tent-Cosine混沌映射策略、正余弦算法以及自适应参数更新策略，以提高MOMVO算法的多目标优化性能。最后，通过仿真和试验来检验多目标优化方法的可行性。结果表明：改进MOMVO算法的优化性能优于传统的NSGA-II（non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ，二代非支配排序遗传算法）和MOEA/D（multi-objective evolutionary algorithm based on decomposition，基于分解的多目标进化算法）等。相较于优化前，优化后绝缘拉棒端头的最大应力、最大形变量和最大电场强度分别下降了17.03%、6.85%和5.58%，质量减小了10.66%。研究结果为绝缘工器具的综合优化设计提供了参考。

针对运营铁路隧道治理天窗期短、人工凿毛效率低及定向专用设备缺乏等问题，基于隧道整治施工需求开发了一种隧道治理专用的凿毛装置。首先，根据凿毛作业要求确定了凿毛装置的结构为机械臂结合剪叉式提升架，并适配设计了固定连接型与铰接型凿毛机构。然后，通过改进D-H（Denavit-Hartenberg）参数法建立了凿毛装置运动学模型，开展了正、逆运动学分析，并采用蒙特卡洛法求解了凿毛装置的工作空间。最后，对凿毛装置的作业过程进行了运动轨迹规划分析，利用五次多项式插值法进行关节空间点到点轨迹规划，并利用基于S形加减速控制算法的平面圆弧插补方法进行笛卡儿空间指定路径规划。结果表明，所设计的凿毛装置的整体结构及工作空间符合设计要求，且运动性能良好；通过运动轨迹规划分析有效地减少了凿毛装置作业过程中的运动冲击与振动，保证了凿毛作业的安全性。研究结果为后续的凿毛装置实物样机制造与凿毛作业试验提供了理论基础。

为实现快速、高效的矩形巷道全断面一次成形，开发全断面矩形掘进机势在必行。为此，基于数形分析与运动轨迹仿真相结合的方法，设计了一种偏心轴行星齿轮驱动的勒洛三角形全断面矩形掘进机刀盘，并研制了试验样机，进行了刀盘截入岩样过程试验研究，实现了单刀盘矩形全断面一次截割成形。首先，分析了所设计刀盘矩形截割的成形原理，得到了其顶点轨迹与标准正方形的周长和面积差异率。然后，为了研究刀盘截入岩样过程中的截割特性，搭建了全断面矩形截割试验台，开展了中心鱼尾刀、边缘刀具截入岩样过程的截割试验。试验结果表明：在中心鱼尾刀截入岩样过程中，推进油压、截割扭矩、Y向振动均呈波动式增大，且三者波动的位置基本一致；在低推进速度阶段（v=3~5 mm/min），随着推进速度的增大，推进油压、截割扭矩、Y向振动的增速较快；在高推进速度阶段（v=5~14 mm/min），随着推进速度的增大，推进油压、截割扭矩、Y向振动的增速变缓；在X、Y、Z三向振动中，Y向振动最具代表性。在边缘刀具截入岩样过程中，推进油压呈波动式增大，但截割扭矩因多刀具协同破岩而呈波动式减小。当同类型刀具截入岩样时，岩样强度越大，刀具所需的截割扭矩、推进油压越大；当不同类型刀具截入岩样时，截割扭矩的差值较大；边缘刀具截入岩样过程中产生的平均振动比中心鱼尾刀小。当岩样抗压强度为6.515~15.639 MPa时，实现全断面矩形截割所需的推进油压为3.443~3.662 MPa，截割扭矩为44.440~49.545 N·m，产生的Y向振动加速度为0.006 5~0.018 0 m/s²。研究结果验证了在实际工程应用中采用偏心轴行星齿轮驱动的勒洛三角形刀盘实现矩形截割的可行性，为全断面矩形掘进机工程样机的研发奠定了基础。