针对RV （rotate vector）减速器在工作过程中存在的零件磨损导致传动精度下降的问题，建立了考虑摆线轮磨损的RV减速器传动精度动态可靠性模型，进行传动精度可靠性分析，并对关键零件的公差以及摆线轮的修形参数进行优化设计。以某重载RV减速器为研究对象，利用Archard磨损公式对摆线轮的磨损深度进行计算，分析轮齿齿廓磨损的分布情况，并基于数值仿真数据利用高斯过程回归模型预测磨损量；建立了含动态磨损的RV减速器传动精度可靠性模型，用蒙特卡洛法求解其动态可靠度；建立了以传动精度动态可靠度为约束条件，以加工成本最低、额定寿命周期内最大磨损量最小为优化目标的优化模型，采用多目标遗传算法求得最优解。结果表明；优化后摆线轮的磨损量略微增大，而减速器的加工成本明显降低；优化后减速器传动精度可靠度得到明显提高，在额定寿命6 000 h内的可靠度满足预期要求。研究结果可以为高精度RV减速器的设计提供参考。

为了准确地确定产品人机工程问题，以提升人机交互性能，运用TRIZ（Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatc，发明问题解决理论）提出了基于功能表面驱动与可拓工具的冲突区域确定方法。首先，利用功能表面改进功能过程模型，识别人机工程问题的初始问题功能元，并结合可拓表达和相关分析完成初始问题功能元的转换及最终问题功能元的确定。然后，利用功能表面改进功能关系模型，识别产品的初始冲突区域，并结合可拓表达、相关分析、蕴含分析和优度评价完成初始冲突区域的转换及最终冲突区域的确定。最后，利用标准解对冲突区域中的不良作用进行求解，并通过优度评价完成方案的评价和筛选。通过割草机改进设计实例验证了所提出方法的可行性。研究表明，该方法有助于交互式产品冲突区域的确定，提高了其人机工程问题的解决效率。

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。

在设计中考虑消费者的情感诉求是产品创新设计的重要发展趋势.通过对国内外相关文献的综述，论述了情感化设计的概念,重点分析了情感化设计中的感性工学理论、三层次理论和情感测量及参数转换的方法和技术,同时把情感化设计的主要研究领域分为产品造型、功能和文化三部分加以论述.最后，针对产品创新设计和相关技术的发展现状,提出了情感化设计研究中存在的问题和主要发展趋势.

PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）钻头是当今油气钻井领域的主要破岩工具，具有耐磨性高、机械钻速高和破岩效率高等优点。PDC切削齿作为切削单元，决定了PDC钻头的破岩性能。PDC钻头布齿的目的是确定每颗PDC切削齿在钻头上的空间位置，使得钻头在钻井破岩时具有优良的性能和可靠的寿命。基于不同布齿技术设计的PDC钻头在钻井过程中表现出不同的破岩性能。因此，PDC钻头布齿技术得到了国内外学者的广泛关注。现已有大量学者针对PDC钻头自诞生以来的布齿技术做了相应研究，但目前仍缺乏系统性的总结。为此，以近年来国内外关于PDC钻头布齿技术的文献为基础，总结了PDC钻头自诞生以来的布齿技术的发展历程，主要包括早期布齿阶段、经典布齿阶段和现代布齿阶段。通过对PDC钻头布齿技术发展历程的分析与总结，指出复合PDC钻头、兼容智能化PDC钻头、长寿命PDC钻头、力平衡PDC钻头、冲击与振动下PDC钻头以及特殊地层下PDC钻头的布齿技术是未来的发展趋势。研究结果可为后续的PDC钻头布齿技术研究提供一定的参考，有望推动PDC钻头布齿技术的进一步发展。

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。

针对大转动惯量碳纤维缠绕机的加速和减速阶段运行不平稳、传动件易失效破坏等问题，提出了一种基于改进型Sigmoid加减速曲线的主轴运行曲线优化方案。首先，利用五次多项式对传统Sigmoid加减速曲线的跃变处进行补偿，以约束曲线起始点、衔接点、终止点的速度、加速度和急动度（加加速度）。然后，基于改进曲线的速度与加速度函数建立缠绕机的负载扭矩、电机输出功率、主轴强度与刚度以及缠绕圈数的数学模型，并以各阶段运行时长为设计变量、以电机最大输出功率最小和总运行时长最短为优化目标对曲线进行多目标优化，根据缠绕圈数、传动件强度与刚度等的约束条件，利用多目标遗传算法NSGA-Ⅱ（non-dominated sorting genetic algorithm-Ⅱ，非支配排序遗传算法-Ⅱ）求解模型的非支配解集，并利用比重选取函数选择最优解。最后，通过AMESim-ADAMS联合仿真对比加减速曲线优化前后缠绕机的运行效果。结果表明：优化后缠绕机的总运行时长、最大加速度、最大负载扭矩和最大输出功率分别降低了41.7%，75.8%，75.5%和72.8%，且主轴的运行曲线更加平滑，验证了优化方案的可行性。研究结果为大转动惯量旋转设备的运行不平稳或传动件失效问题提供了一种新的解决思路。

运用联合仿真的方法能够实时分析柱塞泵的运动学、动力学性能以及液压系统特性，其可广泛应用于柱塞泵产品的设计与优化。针对传统优化过程中分析与优化的离散化、效率低等不足，提出了一种基于功能模型接口（functional mock-up interface，FMI）的轴向柱塞泵分布式联合仿真方法，通过开发自动优化组件，实现对阻尼槽结构参数的迭代优化。首先，进行柱塞泵轴系运动学、动力学分析，建立其运动模型和受力模型，来确定轴系组件的约束关系；其次，搭建了柱塞泵联合仿真模型，研究了柱塞的运动、受力和变形特性；然后，基于云端服务器搭建了柱塞泵分布式联合仿真模型，通过FMI技术实现了各个仿真软件的同步调用；最后，基于云平台架构，开发了柱塞泵阻尼槽优化设计模板，实现了对阻尼槽最优结构参数的求解及其模型自动创建。仿真结果表明，阻尼槽结构优化后，柱塞泵出口流量脉动率降低了35.78%。所提出的方法能有效提高仿真与优化的效率，减轻研发人员的工作负担。

针对传统刚性采摘机械手适用范围小、环境适应性差及对果蔬损伤大等问题，设计了一种面向沙果采摘的刚柔耦合气动软体采摘机械手。根据沙果的结果特点以及采摘要求，确定了六指包裹式采摘形式。以龙丰果为例，建立了采摘机械手软体手指弯曲角度计算模型，确定了单指的弯曲角度；通过3种硅胶材料的拉伸对比实验，选定HY-E620型硅胶作为软体手指的材料；开展了多种结构对软体手指弯曲性能影响的ABAQUS有限元仿真分析，确定了较优的结构；利用实验测定了不同驱动气压条件下单根软体手指弯曲角度与输出力的对应关系，并在0.08 MPa驱动气压下对多种水果进行三指抓取实验，验证了软体手指结构的合理性。最后，试制了六指包裹式气动软体采摘机械手，并分别对沙果、苹果、梨和橘子等进行了采摘实验。结果表明：所设计的采摘机械手不仅对含3~6个果实的成串沙果的采摘成功率达到80％，还可采摘苹果、梨和橘子等类球形水果，具有一定的通用性，可为水果采摘机械手的设计与研究提供新思路。

针对目前柔性执行器需要外置的刚体泵和阀的问题，基于人手指弯曲抓握的运动特点，设计了一款由内嵌电流体泵驱动的柔性弯曲执行器。设计了电流体泵，通过实验分析了电流体泵的极板间距和电极孔直径对电流体泵输出流量和压强的影响，确定了电流体泵针电极、孔电极等部件的尺寸，研制了电流体泵样机。将多个电流体泵串联及并联，分别得出了输入电压与输出流量、输出压强的关系，确定了以2个电流体泵串联的方式来驱动软体执行器；建立了柔性执行器的力学模型，对柔性执行器进行了弯曲仿真和实验，得到了驱动压强与柔性执行器弯曲角度之间的关系，证明了柔性执行器具有良好的弯曲性能。弯曲角度的实验值、仿真值、理论值较一致，理论模型和仿真模型可以较为准确地描述柔性弯曲执行器的弯曲变形。电流体泵与柔性执行器高度集成，使电流体泵可以直接驱动柔性执行器弯曲变形，实现了柔性弯曲执行器的可携带性。

在汽车生产环节进行数字建模、系统仿真与优化对提升汽车的生产质量和效率具有重要意义。为了解决目前汽车制造企业普遍存在的因数据链断裂而导致的资源配置效率低下等难题，以汽车涂装车身缓存区（painted body storage，PBS）为研究对象，提出了一种新型的数字底座平台，来实现数据链整合和多源异构数据融合。同时，设计了一种针对PBS的车身调序策略，考虑了总装工艺对车序优化的约束，采用遗传算法获得了PBS出车序列，然后以逆序数对为参考指标，进行PBS车道排布。将基于数字底座的PBS系统应用于某汽车制造企业，应用效果验证了所提出方法和策略的有效性。研究结果为企业构建内部集成制造平台和设计具体车间单元提供了参考。

为解决电主轴因内部温度场复杂而造成冷却效果差的问题，设计了一种用于电主轴冷却的水冷机系统。根据电主轴热特性分析结果，提出了水冷机冷却方案，计算了相关的传热参数，并建立了电主轴温度?流速控制模型。然后，利用ANSYS Fluent软件对电主轴进行了流体冷却有限元仿真，并通过电主轴冷却实验对仿真结果进行了验证。通过对比仿真结果和实验结果可知，冷却后电主轴电机定子最高温度约下降了60%，转轴的形变量约降低了70%。结果表明：利用水冷机系统对电主轴进行冷却具有良好的冷却效果，这可为高精密机床主动热控制技术的研究提供一定的借鉴和参考。

为了解决柔顺机构在优化设计过程中试验及性能验证困难的问题，采用3D打印技术对热塑性聚氨酯（thermoplastic polyurethane，TPU）材料的力学性能进行了试验研究。分析了材料硬度和打印填充率对TPU材料力学性能的影响，获得了TPU材料较佳的3D打印参数。进行单因素和两因素试验并结合方差分析，确定了显著影响TPU试样柔性的主次因素分别为TPU材料硬度和打印填充率。结合TPU材料的力学性能试验数据，得到了Mooney-Rivlin、Yeoh、Ogden、Valanis-Landel等4种常用超弹性材料本构模型的材料参数与材料硬度、打印填充率之间的映射关系。研究表明：随着TPU材料硬度和打印填充率增大，试样的柔性减弱；在4种超弹性模型中，Ogden模型对于不同打印参数下的TPU试样都具有较好的力学性能预测效果；4种模型在相同TPU硬度、不同打印填充率下的预测效果没有明显差别。研究结果可以为TPU材料的3D打印和有限元仿真分析提供参考，为柔顺机构在设计过程中的试验、性能验证及样件制作提供可靠的技术支撑。

为了实现使连续体结构的体积约束和柔顺度最小的拓扑优化及解决采用经典变密度法引起的结构优化结果存在如灰度单元、棋盘格等数值不稳定问题，提出了一种新的拓扑优化方法。首先，采用改进的固体各向同性材料惩罚法作为材料插值方案，建立结构拓扑优化模型；其次，通过引入基于高斯权重函数的敏度过滤法和设计新灰度单元抑制算子来解决数值不稳定问题；最后，借助优化准则法求解优化模型。通过算例分析可知：新策略可以改进拓扑优化方法；新的拓扑优化方法具有收敛速度较快、能更好地获取柔顺度小且拓扑构型好的优化结构和抑制灰度单元产生等优势。研究结果为其他连续体结构的拓扑优化研究提供了新思路。

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。

在飞行过程中,飞行员需从座舱显示界面获取和处理很多视觉信息，大量的视觉信息会使飞行员脑力负荷过高，从而易导致飞行事故。为降低飞行员在飞行过程中的脑力负荷和提高飞行的安全性，需判断通航飞机座舱显示界面对飞行员脑力负荷的影响，并为通航飞机座舱显示界面优化设计提供依据。以塞斯纳172SP飞机为例，综合应用主观评价法、绩效评估法和生理测量法，对五边飞行过程中飞行员的脑力负荷进行评估。综合主观评分、飞行绩效、脑电（Electroencephalogram, EEG）指标、眼动指标的分析结果，得出了五边飞行不同飞行阶段的脑力负荷大小排序。采用眼动追踪技术对不同飞行阶段飞行员所关注的界面信息进行定位，确定飞机座舱显示界面上对脑力负荷影响较大的注视热区。结果显示飞行员在平飞阶段的脑力负荷较低，降落阶段的脑力负荷较高；显示界面侧滑指示器对脑力负荷的影响最大。综上可知结合脑力负荷测量和眼动指标可以有效地评价通航飞机座舱显示界面的性能。

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。

为进一步提高压电波前校正器的响应速度和轻量化程度，对面向高动态形状控制的压电片变形镜的动力学仿真与优化方法进行了研究。首先，基于压电片变形镜的参数化有限元模型，提出了高效、高精度的电-力耦合动力学仿真分析方法。然后，通过正交遍历多维设计参数（光学反射镜与压电陶瓷的材料类型、几何尺寸和固定方式等），探究了不同参数对压电片变形镜动态形状控制性能的影响规律。最后，优化得到具有预期响应带宽和驱动位移性能的压电片变形镜设计方案，并通过制备压电片变形镜的原理样件来验证其性能。实验结果表明，所研制的压电片变形镜的固有频率和镜面驱动位移幅值符合预期，验证了所提出的动力学仿真与优化方法的有效性，这可为高带宽压电片变形镜的高效研制提供科学的理论方法。

为提高折展机构的折展率和支撑性能，提出了一种具有变泊松运动特性的剪叉式折展机构并对其进行运动学分析。首先，提出了一种单闭环厚板支撑单元并将其应用于三明治结构，利用ANSYS Workbench软件分析不同形状夹芯层对三明治结构支撑刚度的影响，发现采用厚板支撑单元的三明治结构具有更好的支撑效果和更小的质量，且可通过改变结构设计参数来实现正负泊松比的切换。然后，根据泊松比的定义，设计了一种具有变泊松运动特性的正n边形剪叉式折展机构；基于螺旋理论，通过绘制闭环折展机构的旋量约束拓扑图分析得到其自由度为1，将折展机构分为3种模块并阐述了模块化纵向扩展的原理和过程。最后，建立了m层正n边形剪叉式折展机构的运动学模型并搭建了正四边形剪叉式折展支撑结构实物样机，进一步验证了机构的变泊松运动特性，这可为后续的研究提供理论基础。

现有六足机器人在单足结构设计、机体布置形式及柔顺运动控制等方面存在不足，导致其地形适应能力不强，运动柔顺性能不高。为此，开展了典型六足生物——蚂蚁的观测实验，基于蚂蚁生理结构特征和驱动方式分析，提出了适用于六足机器人结构设计的基本原则；基于低惯量单足结构设计，通过优化机器人机体布局，提出了关节电机驱动六足机器人整体仿生结构；基于六足机器人直行和转向运动步态，规划了三角函数曲线与直线相结合的足端轨迹，提出了基于分级控制的六足机器人柔顺运动控制方法。样机实验结果表明，六足机器人结构设计合理，能够实现相对柔顺的直行和转向运动。研究结果可以为机器人仿生结构设计及柔顺运动控制提供重要参考。

针对动态建模误差和不确定性扰动对机械臂末端高精度轨迹跟踪控制的不利影响，提出了一种新型的基于自适应神经网络的机械臂滑模控制策略。该控制策略可分为三部分：自适应神经网络补偿项、切换控制项和等效控制项。自适应神经网络的引入，避免了建模误差和外界未知扰动对机械臂系统的影响，提高了轨迹跟踪精度；切换控制项可使机械臂系统性能在迅速趋近滑模面的同时以很小的速率趋近平衡点，既能保证系统稳定，又能避免系统过于抖振；等效控制项用于对机械臂动力学模型的重力项和哥氏力项进行补偿，实现对模型的线性化处理，保证了系统的控制精度。最后，通过构造Lyapunov函数验证了所设计控制系统的稳定性，并在MATLAB/Simulink环境下和机器人系统工具箱中开展仿真实验和对比实验。结果表明，所提出的控制算法能够在保持机械臂稳定性的同时实现高精度的轨迹跟踪，验证了该控制算法的有效性和优越性。自适应神经网络滑模控制算法可为提高机械臂末端轨迹跟踪精度提供一种解决方案。

针对复杂地形环境下搜救机器人越障性能的要求，设计了一种轮式搜救机器人的被动地形自适应机构，并对其越障性能进行了分析。首先，在分析传统越障机构的基础上，开展了地形自适应机构的选型，并结合遗传算法对其进行优化，完成了对轮式搜救机器人被动地形自适应机构的设计。然后，基于达朗贝尔原理建立了轮式搜救机器人的动力学模型，并对其越障能力进行了分析与计算。最后，建立轮式搜救机器人的多刚体动力学模型，开展了越障性能仿真，并与理论计算结果进行了对比。对比结果验证了轮式搜救机器人的越障及地形自适应能力。研究结果可为轮式搜救机器人样机的搭建及后续研究的开展提供理论依据。

为了在机器人辅助远程介入手术中实现向医生提供高精度的力反馈，设计了一种具有力检测机制的新型血管介入手术机器人，其是一个主从控制系统，包括一个操作方便的主端装置和一个递送导丝/导管的从端装置。首先，设计了血管介入手术机器人的力检测机制，以实现轴向近端力的精准测量和径向夹紧力的感知。然后，基于血管介入手术机器人的动力学分析，设计了具有在线整定参数功能的模糊PID（proportional integral derivative，比例积分微分）控制器，以提高从端装置的递送精度和抗干扰能力，同时选择阶跃信号对所设计的模糊PID控制器进行仿真验证。最后，搭建血管介入手术机器人物理样机，并开展主从运动跟踪实验和轴向近端力、径向夹紧力检测评估实验。实验结果表明，该血管介入手术机器人具有[-0.31, 0.25] mm的运动跟踪误差，可检测平均误差为0.12 N的轴向近端力以及可感知0.47~4 N的径向夹紧力。研究结果验证了所设计血管介入手术机器人的鲁棒性以及其力检测机制的可行性，可为同类产品的设计和改进提供参考依据。

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。