移动机器人可以代替人进入火灾、地震现场等高危环境进行地形探索及伤员搜寻等工作，然而大多数机器人难以同时适应障碍、直角墙壁、墙面过渡等多种复杂地形，且其控制系统相对复杂，需要外部能源输入。为此，设计了一款具有多种功能、控制相对简单且无系留的可变形移动机器人。首先，将二杆四索张拉整体结构作为基本单元，设计了可实现弯曲变形的张拉整体结构躯干；其次，基于吸附力及结构参数的分析，设计了负压吸附装置，并将它与可变形躯干结合，形成了机器人整体结构；接着，对机器人进行运动学分析，获得了机器人位姿与电机转角的映射关系，并据此规划了机器人墙面过渡、从墙面穿越狭小空间及翻转上台阶的步态；最后，完成了机器人样机的研制，并针对不同地形开展了机器人运动实验，验证了机器人步态规划的合理性。研究结果为多功能移动机器人的设计与制造提供了一定的参考价值。

针对混凝土3D打印构件成形质量差和打印时间长的问题，提出了一种基于连续顶点分区的路径规划算法。首先，采用基于哈密顿回路的连续顶点分区方法，将打印区域划分为多个连续的区域，以确保在打印过程中打印喷头不会多次经过同一顶点，从而避免了重复打印和成形质量差的问题。然后，使用遗传算法搜索每个区域，通过迭代和优化来确定最短的打印路径。实验结果表明，与其他路径规划算法相比，所提出的算法能够显著减少打印喷头的空行程和启停次数，且缩短打印时间10%以上，有效地提升了混凝土构件的成形质量与打印效率。基于连续顶点分区的混凝土3D打印路径规划算法通过有效划分打印区域、智能搜索最短路径以及合并优化路径的方式，解决了混凝土3D打印构件成形质量差和打印时间长的问题，这可为混凝土3D打印技术的发展和应用提供有力的技术支持。

针对无人遥控潜水器（remotely operated vehicle, ROV）在高速航行时因受流场作用而导致纵倾幅值、纵倾角度变化较大的问题，提出通过搭配选择扩展底盘和尾翼结构参数的方法来实现欠驱动型ROV的零纵倾或微纵倾高速运动。基于格子玻尔兹曼方法（lattice Boltzmann method, LBM），通过壁面自适应细化算法，结合ROV的结构参数进行六自由度仿真实验，以模拟ROV的航行运动。对扩展底盘和尾翼高度不同的ROV分别进行数值分析，得到扩展底盘、尾翼的结构参数与ROV纵倾幅值、纵倾角度的关系。通过对航行表现相似的ROV的旋转力矩进行比较，确定了在相同扩展底盘条件下ROV的稳定性与尾翼高度的关系。开展了扩展底盘和尾翼结构优化正交实验，利用遗传算法对不同实验方案下ROV的纵倾数据进行了拟合处理。结合实际需求确定了扩展底盘和尾翼的高度，并通过实际测试验证了ROV纵倾优化设计方案的正确性。结果表明，合理搭配扩展底盘和尾翼的结构可有效减小欠驱动型ROV的纵倾幅值，从而实现ROV在无幅值补偿时的微纵倾航行运动。研究结果可为相关水下装置纵倾运动的改进提供参考。

构建支重轮-履带-地面多体耦合系统是研究履带机器人行驶平顺性的重要环节。以单侧五支重轮履带机器人为研究对象，在非线性悬挂系统模型以及考虑履带滤波作用的路面激励的基础上，建立了履带机器人振动理论估算模型。然后，基于履带机器人在不同等级路面及不同行驶速度工况下的仿真实验，利用均方根值定量分析了行驶速度、路面激励对机器人车体及其支重轮垂向振动的影响。最后，通过开展外路实验来验证七自由度半车的振动理论估算模型和动力学仿真模型。结果表明：随着行驶速度和路面不平度的提高，履带机器人车体的垂向振动近似呈线性增大，履带对路面激励有滤波作用。履带机器人车体质心及支重轮1，3，5的垂向振动加速度对路面激励最为敏感，车体垂向振动加速度功率谱密度幅值在频率为19 Hz左右时最大。由于支重轮5靠近驱动段，履带与主动轮啮合产生的多边形效应使其垂向振动相对于其他支重轮偏大。理论建模、仿真分析及外路实验相结合的方法为履带机器人在不同路况下的振动响应特性研究提供了新思路。

为实现连续体机械臂的多模态运动，解决现有机械臂只能实现单一弯曲或旋转的问题，设计了一种基于滚动接触的单模块多自由度柔性连续体机械臂。将滚动接触模块作为连续体机械臂弯曲模块的骨架结构，并在弯曲模块内安装旋转模块，以形成具备独立弯曲和旋转运动的多自由度机械臂。采用分段常曲率法建立连续体机械臂的运动学模型，对其刚度性能、弯曲性能和旋转性能进行了分析。制备了连续体机械臂样机，并开展机械臂拧松瓶盖、开启风扇以及在三维空间内避开障碍物抓取目标物体等实验。实验结果表明，利用连续体机械臂的弯曲与旋转组合运动可完成复杂空间环境下的不同任务，体现了复合运动模式的优势。所设计的连续体机械臂具备多模态运动，可为多自由度连续体机械臂的设计提供新思路，拓展了连续体机械臂的应用场景。

传统机器人手通常需要驱动器连续地提供保持抓握状态的扭矩或力。若驱动器失效，则机器人手无法稳定地抓取物体。针对上述问题，提出了一种基于折纸的被动触发双稳态机器人手。该机器人手由具有单自由度的抓握机构和具有双稳态特性的驱动机构组成。基于抓握机构和驱动机构的运动学模型，结合抓握状态的要求对机器人手的结构进行了设计，可通过设置扭转弹簧的刚度参数来实现对能量壁垒的灵活调整。最后，通过开展跌落捕获实验来验证所设计机器人手的抓握性能。结果表明，当跌落高度为400 mm时，机器人手的抓握运动未被触发；当跌落高度为440 mm时，机器人手成功抓握物体；当跌落高度为480 mm时，机器人手虽被触发了抓握运动但未能抓住物体。实验结果不仅验证了机器人手在无驱动条件下稳定抓取特定大小物体的能力，还揭示了不同外部冲击下能量壁垒的存在。基于折纸的被动触发双稳态机器人手在被动式和自适应机器人中具有潜在应用前景。

目前，3D打印混凝土领域仍存在诸多问题，严重制约了其大规模工业化生产与应用。其中，孔隙为最常见缺陷，亟须发展相关检测技术，以提高混凝土的打印质量。针对现有3D打印混凝土界面孔隙检测方法主要依赖人的主观经验，且存在耗时长、成本高和计算资源耗费量大等缺陷，引入基于深度学习的目标检测算法，提出了一种轻量级的孔隙智能检测方法。首先，利用传统图像处理算法对3D打印混凝土界面孔隙图像进行预处理，并构建适用于目标检测算法的孔隙图像数据集；同时，基于所构建数据集的特点对锚框计算方法进行优化，以获取更适合界面孔隙目标的锚框，从而提升检测准确度。然后，在检测方法的主干网络中，利用ShuffleNetv2网络进行多尺度特征提取，并去掉部分网络以降低网络深度和减少计算参数量，从而提高孔隙检测效率。最后，在特征提取网络中融合极化自注意力机制模块，在保持高分辨率的同时增强对孔隙目标的关注度，以提高检测精度。实验结果表明，所提出的方法能够有效完成3D打印混凝土界面孔隙的智能化检测，通过与多种检测算法对比，发现该方法的多个性能指标均有所提升，检测效率提升显著。研究结果可为后续混凝土的质量控制和性能评估提供一定的数据支持。

火力发电厂的锅炉水冷壁需要定期检测和清扫，采用水冷壁机器人可以提高检测和清扫的效率。针对水冷壁面复杂的工作环境，研发了一种新型水冷壁机器人。对机器人的结构和工作原理进行了介绍；为了保证机器人在水冷壁面运动灵活且有可靠的吸力，设计了一款电永磁轮；通过Maxwell仿真并结合实验得出了使电永磁轮充/退磁所需的电流激励以及轮子吸力，设计了电永磁轮充/退磁电路；介绍了机器人本体的控制系统，搭建了机器人横向行走实验平台，对机器人运动的协同性和稳定性进行了验证。实验结果表明：机器人内、外腿依次交替吸附并前移，实现了抬腿、迈步、落腿等步态，运动稳定；机器人落腿时磁力产生，抬腿时磁力消失，机器人兼具吸附稳定性和运动灵活性；电永磁轮结构简单，体积小，质量小，耗电少，可提供150 N左右的吸力。研究结果为爬壁机器人在水冷壁清扫和检测中的应用提供了参考。

作为磁吸附式爬壁机器人的关键部件，磁吸附模块的结构通常会影响机器人的整体质量及吸附稳定性。针对磁吸附模块磁路耦合关系复杂、优化设计困难等问题，结合虚拟仿真技术、代理模型和蜣螂优化算法提出了一种磁吸附模块结构优化方法，以提高其磁力计算和优化设计过程的效率。首先，介绍了爬壁机器人的结构设计方案，并通过对现有的Halbach阵列磁路模式进行仿真分析，确定了三磁路模式具有相对较高的吸附效率；同时，基于初设参数对磁吸附模块磁力仿真模型进行了实验验证，为后续代理模型的建立奠定了基础。然后，建立了以机器人吸附稳定性和结构参数为约束、以磁吸附模块轻量化为目标的优化模型。采用最优拉丁超立方设计、ANSYS参数化建模以及代理模型技术建立了磁吸附模块磁力与结构参数之间的四阶响应面模型，并对其可信度进行了验证。利用蜣螂优化算法对磁吸附模块的结构参数优化模型进行了求解。结果表明，所建立的代理模型的预测误差很小，能够较好地表征磁吸附模块磁力与结构参数之间的关系；优化后磁吸附模块的质量减小了12.7%。最后，通过机器人负载实验验证了优化过程的正确性。研究结果可为其他磁吸附式机器人的磁力分析与结构优化提供参考。

采用锚定-伸缩运动机制的软体管道机器人多以硅胶、水凝胶等柔性材料为主体，可通过柔性材料的变形来实现在管道内的锚定和伸缩，具有良好的柔顺性。但由于柔性材料具有黏弹性和滞后性，软体管道机器人通常表现出较小的作用力和较慢的响应速度，难以快速储存和释放大量机械能，爬行速度缓慢。为解决这一问题，设计了一种可实现快速爬行的软体管道机器人。该机器人由锚定模块和伸缩模块组成，锚定模块利用柔性带的屈曲变形来实现在管道内的锚定，伸缩模块采用以塔簧为主体的软连续体结构来实现伸展与收缩。通过实验测得，该机器人在管道内的最大爬行速度为102 mm/s，最大锚定力为76.4 N，其能够在内径为90~120 mm的管道内实现稳定爬行，且对不同形状的非结构化管道环境具有良好的适应性。结果表明，所设计的机器人不仅能够在水平和竖直管道内实现双向爬行，还能够快速通过S形管道，这可为非结构化管道内软体机器人的设计与研究提供新思路。

针对中枢模式发生器（central pattern generator，CPG）模型的不确定性参数对六足机器人运动稳定性的影响，提出了一种基于概率-区间混合模型的六足机器人运动稳定性优化设计方法。首先，建立了六足机器人数值模型，并基于Matsuoka 和 Kimura模型建立了六足机器人CPG模型；其次，通过概率-区间混合模型来描述CPG模型的不确定性变量，并建立了六足机器人运动稳定性优化数学模型；再次，采用Karush-Kuhn-Tucker（KKT）最优化条件和基于最大熵原理的二次四阶矩方法对六足机器人运动稳定性优化设计问题进行解耦，将三层嵌套优化设计问题转化为单层优化设计问题，实现对优化问题的高效求解；最后，基于径向基函数建立六足机器人运动稳定性优化近似模型，并利用遗传算法求解最优设计解。结果表明，采用所提出的方法能够高效求解CPG模型的最优参数，提高了六足机器人的运动稳定性。因此，该方法在机器人运动控制领域具有较高的应用价值。

皮肤大面积损伤修复一直是临床上亟待解决的难题。目前，常用的修复方法主要为自体皮肤移植和伤口敷料治疗，但这些方法不能同时满足皮肤大面积修复和定制化治疗的需求。原位皮肤打印技术为皮肤大面积损伤修复提供了新思路，但现有的生物打印设备打印范围小且打印精度低，无法实现皮肤大面积组织的随形打印。为解决上述问题，提出了一种由Stewart并联机器人、直线模组机构、打印头和三维扫描仪等组成的原位皮肤打印系统。其中，Stewart并联机器人的重复定位精度高且累积误差小，其作为打印驱动装置可实现高精度的皮肤原位打印；Stewart并联机器人具有6个自由度，可在三维空间中实时调整打印角度，使得生物墨水能够沿皮肤曲面完整地覆盖在皮肤损伤处，有利于伤口修复。为分析所设计原位皮肤打印系统的可行性，通过数值法计算并联机器人的工作空间，得到了原位皮肤打印系统的工作范围，并通过打印实验进行了验证。实验结果表明，并联机器人可按照指定路径运行，打印头在打印过程中可稳定喷射生物墨水；原位皮肤打印系统的工作范围与并联机器人的工作空间基本吻合，可满足皮肤大面积损伤修复的需求。研究结果为后续的皮肤大面积修复动物实验奠定了理论基础。

针对传统滑模控制在悬臂式掘进机轨迹跟踪中存在全局收敛速度慢、抖振显著等不足，提出了一种基于新型趋近律的改进滑模控制方法。通过在传统指数趋近律基础上引入掘进机机身的横向偏差、航向角偏差以及幂次趋近项，实现了掘进机轨迹偏差的快速收敛以及抖振的削弱；同时，采用边界层法进一步抑制抖振，解决了趋近律中符号函数乘积项易引起抖振的问题。分析了新型趋近律的存在性、可达性以及稳定性，并推导了干扰稳态误差的区间。考虑掘进机的不确定扰动，对传统滑模控制与改进滑模控制方法进行了仿真对比。结果表明，改进滑模控制的控制精度、收敛速度及抗干扰能力均优于传统滑模控制。最后，通过搭建实验平台测试了掘进机轨迹跟踪控制系统的性能，验证了改进滑模控制方法的可行性和有效性。研究结果可为煤矿井下恶劣环境中采掘装备的智能控制提供重要参考。

为解决救援机器人运动速度慢、环境适应性差和步态单一等问题，参照海龟与山羊的生理结构，设计了一种四足仿生移动机器人。首先，根据海龟能在松软地面上爬行以及山羊运动能力强的特点，为机器人规划了仿海龟爬行和仿山羊行走两种步态以适应不同环境，提高了机器人的运动性能。然后，对机器人支腿进行了动力学分析，通过建立动力学模型来获取机器人关节扭矩与运动性能参数之间的定量关系。最后，通过仿真和样机实验来验证机器人步态的可行性以及机器人的环境适应能力。结果表明，所设计的机器人结构稳定，步态规划合理，可适应不同的复杂地形。研究结果可为仿生机器人的设计与开发提供重要参考。

经呼吸道活检是肺结节诊断中较为常见的手术，但由于呼吸道疾病存在传染风险以及手动操作时关节受限等，医工结合的诊疗方式逐渐成为发展趋势。为实现柔性体在支气管腔道内复杂弯曲动态环境下灵活运动、精准定位与稳定介入，采用主从协同式远程控制机器人机构设计，模拟传统手术中医生的操作习惯，设计并搭建能够操控支气管镜、活检钳的集成机构原理样机，以实现经支气管进行微创诊疗的双器械协同操控。然后，基于Cosserat杆理论，利用MATLAB软件对机器人柔性末端执行器的力-位映射关系、位姿和工作空间进行仿真求解，并通过实验分析机器人柔性末端执行器在经支气管的远程微创活检手术中的真实位姿以及机器人的实际运行效果，验证了仿真结果的准确性。研究结果可为经自然腔道活检术的多器械协同控制提供理论基础。

为解决现有翼型几何参数化描述方法优化设计效率低、计算工作量大的问题，提出了一种基于深度学习的翼型参数化建模方法。该方法以伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（University of Illinois at Urbana-Champaign, UIUC）翼型数据库中翼型上下表面坐标点转化的翼型二维图像作为输入，首先使用卷积运算提取大量翼型图像的几何特征，然后通过多层感知机对提取的几何特征进行分类和压缩，将翼型形状压缩成若干个简化的拟合参数，最后通过解码器恢复翼型图像并输出翼型上下表面的点坐标。在此基础上，探讨了拟合参数数量对翼型几何精度的影响，确定了含6个拟合参数的卷积神经网络（convolutional neural network, CNN）结构，并基于计算流体力学数值仿真验证了所提出方法的拟合精度。最后，开发了可视化翼型几何设计软件，实现了拟合参数的调整与修正，并分析了各拟合参数对翼型形状的影响规律。结果表明，6个拟合参数均会对翼型形状产生全局影响，单独或联合调整6个拟合参数可获得新的翼型设计空间。研究结果可为翼型的优化设计提供技术支持与理论参考。

风电叶片是风力发电机的核心部件，叶片螺栓不仅是承受复杂应力的零件，也是承受最高负载的零件。为避免螺栓断裂造成危险隐患和经济损失，设计了一种基于超声导波的在役螺栓轴向应力测量系统，可实现对多种型号螺栓轴向应力的精确测量。首先，通过数值计算得到超声导波群速度频散曲线，基于胡克定律和声弹性效应建立了螺栓轴向应力与超声导波声时的线性数学模型，并在COMSOL软件中通过仿真验证了单纵波换能器实现超声导波应力测量的有效性。然后，针对超声导波回波信号模态混叠以及实际测量中噪声对超声导波声时测量结果的干扰，利用基于回波补偿的降噪算法实现了对实际测量信号的降噪处理，并采用经验小波变换算法对超声导波回波信号进行了模态分解，利用互相关法得到超声导波模态的精确声时。最后，通过实验测试完成了18种型号的螺栓在30%~90%屈服强度内的轴向应力的精确测量，相对测量误差小于2%。研究结果有助于改进螺栓装配工艺以及规范工人操作流程。

红树林、盐沼、海草床和海藻场等滨海蓝碳生态系统是缓解全球气候变化的重要天然碳汇。在人为和自然压力的多重胁迫下，滨海蓝碳生态系统面临大规模退化，因此修复和提升滨海蓝碳生态系统的碳汇功能是目前亟待解决的问题。根据滨海蓝碳生态系统的类别，综述了目前滨海蓝碳生态系统增汇的主要技术与装备，并从增汇效益、经济效益和生态效益等方面分析了滨海蓝碳生态系统增汇综合效益。未来研究应围绕滨海蓝碳生态系统分布和碳汇的观测体系优化、物种优选培育和种植方法的改良、新兴蓝碳生态系统碳封存技术对生态环境的影响等方面开展，进一步巩固和提升滨海蓝碳生态系统增汇，助力实现“碳达峰”和“碳中和”的目标。

探测距离和测距精度是雷达的关键性能指标，在实际服役工况下受雷达系统内部信号传输损耗、外部信号干扰等不确定性因素的影响较大，提高其准确性已成为雷达研究领域的重要课题。为了评估上述不确定性因素对雷达性能的影响程度，开展了雷达探测距离和测距精度的不确定性分析。首先，建立了考虑信号传输损耗和信号干扰的雷达探测距离和测距精度模型；其次，采用区间模型量化不确定性参数，实现内外部参数统一框架下的不确定性度量；然后，构建准确的探测距离和测距精度响应面模型，并采用Sobol'全局敏感性分析方法实现多维参数对探测距离和测距精度影响的排序；最后，采用子区间分解分析方法获取了雷达探测距离和测距精度区间，并与通过蒙特卡洛模拟得到的结果进行对比，验证所提方法的有效性。将雷达探测距离和测距精度设定合理的容限与阈值，可提高雷达性能分析效率，降低性能分析成本。

高参数大型游乐设施结构型式多样，运动型式复杂，失效模式众多。其服役健康管控涉及风险评价、检测/监测、故障诊断、寿命评估、健康评价、使用管理等多方面。只有建立全面系统的健康管控技术体系，才能从根本上保障设施的运行安全。以高参数大型游乐设施为研究对象，以设备失效、故障和事故为问题导向，设计了系统科学的健康管控技术体系，分别从健康管控指标体系、检测/监测关键技术、健康评价关键技术、健康恢复与保持等四方面分析了有待解决的技术问题和服役健康研究方向。研究结果为全行业开展相关技术研究提供了思路和指导。

经典的断裂相场法是基于脆性断裂理论建立的变分方法，因此其无法准确描述复合材料的准脆性断裂行为。基于此，提出了一种多相场模型来描述纤维增强复合材料的多模式内聚断裂行为。通过对各向异性相场驱动力和损伤本构关系的合理定义，提出了一种混合型内聚断裂相场模型，并通过推导得到了相应的演化方程与强度准则。采用该模型进行了3种复合材料板的裂纹扩展及失效仿真，结果表明，所提出的多相场模型能够有效模拟复合材料的多模式内聚断裂行为，具有较高的应用价值。

牙轮钻头在深井钻进时会受到高温、高压、摩擦以及腐蚀等多个因素的共同作用，直接影响密封圈的使用寿命，进而影响钻头寿命。为此，进行了牙轮钻头密封试验技术研究。首先，设计了牙轮钻头密封试验机，设计了试验机各功能模块；其次，对O形橡胶密封圈和径向对称扁平橡胶密封圈在多因素影响下的密封性能进行了有限元分析，同时结合接触应力评判准则和von Mises准则对密封圈性能进行了评价和对比；最后，进行了密封圈在多因素作用下的寿命测试实验，并将实验结果与仿真结果进行了对比。实验结果验证了试验机进行牙轮钻头密封试验的可行性及可靠性。所设计的牙轮钻头密封试验机能预测牙轮钻头密封圈的使用寿命，具有广阔的工程应用前景。

铺设于海床中的海底管道常因洋流冲刷、船舶锚拽等自然或人为因素而处于悬空状态，易造成管道变形、腐蚀、损伤和开裂泄漏等问题，严重影响管线安全。针对DN200海底管道的悬空内检测，设计了一种内检测机器人并对其进行了动力学分析。同时，联合ANSYS与ADAMS软件建立了柔性管道-土耦合模型，开展了悬空管道内检测仿真分析。采用快速傅里叶变换和短时傅里叶变换方法对内检测机器人在复杂激励耦合条件下的振动响应信号进行处理，通过分析机器人的振动加速度实现了对悬空管段的有效识别。研究结果为油气管道悬空内检测提供了新思路。

为了实现对柱塞泵可再制造性的定量评估，首先以柱塞泵为研究对象，进行其疲劳寿命研究。建立了柱塞泵刚-柔-液联合仿真模型，研究了在柱塞泵运行过程中转速、负载压力对柱塞最大应力和疲劳寿命的影响规律。结果显示：随着转速提高，柱塞所受到的最大应力呈指数递增，柱塞的疲劳寿命则呈指数递减；随着负载压力的增大，柱塞所受到的最大应力呈线性增大，柱塞的疲劳寿命则呈对数递减。在柱塞泵疲劳寿命分析的基础上，建立了以剩余寿命和零部件可加工性为指标的技术评估体系，并综合考虑了经济和环境指标，提出了柱塞泵可再制造性量化评估模型和方法，并进行了工程应用分析，验证了所提出方法的合理性和可行性。

针对传统三偏心蝶阀承受一定压差或全压差的反向压力等问题，研究设计了一种全金属硬密封双向零泄漏三偏心蝶阀。该蝶阀为长寿命节能型，其采用三偏心原理设计，解决了传统偏心蝶阀在开启10°、关闭瞬间密封面仍处于滑动接触摩擦的缺陷，实现了蝶阀在开启瞬间密封面即分离、关闭接触即密封的效果。首先，对所设计蝶阀的不平衡力矩和允许压差进行了理论分析，并通过流体流动仿真分析了蝶阀开度不同时阀腔内流体的压力、速度和流动迹线，得到了蝶阀出入口的最大压力和最大速度随阀门开度的变化曲线。然后，通过热应力仿真分析得到了蝶阀的热力温度和合力热流量云图，并分析了蝶阀的热应力、热应变、安全系数的分布情况以及其最大热应力随流体温度的变化曲线，验证了蝶阀的热应力满足要求。最后，开展了蝶阀阀体耐压试验和正反向高压密封试验。试验结果表明，蝶阀阀体无可见渗漏和变形，且实测泄漏量均为零，说明该蝶阀的耐压强度和密封性能均满足使用要求。研究结果为三偏心蝶阀接触和摩擦的减少、开启力矩的降低以及使用寿命的延长提供了依据，所提出的全金属硬密封结构为三偏心蝶阀的双向零泄漏密封研究提供了新思路。