水下机械手是作业型水下机器人的首选配置装备，其具有运动灵活、抗干扰性强等优点，获得了国内外学者的广泛关注。针对水下机械手的功能、结构特征、动力学性能及控制方法，现已有大量学者开展研究，其中动力学分析是研究核心，但目前缺乏对其的系统性总结。为此，聚焦于水下机械手动力学的研究方法与技术，首先对水下机械手用于不同水下作业时的功能和设计特征进行了总结；然后对水下机械手的动力学建模方法进行了分类和比较，主要包括基于误差补偿的动力学建模方法和基于水动力学模型的动力学建模方法；最后对惯性及黏性水动力学模型的构建方法进行了详细描述。通过对比不同的水下机械手动力学建模方法，指出了未来可研究的新方向。研究结果可为后续的水下机械手研究提供一定参考。

在快速成型技术中，模型分段处理是分层处理的前一步骤，对分段算法进行研究十分有必要。为此，对快速成型技术中的分段算法进行总结，主要从人机交互分段和自动分段两方面展开。对于人机交互分段算法，主要从根据不同成型要求进行分段方面展开叙述；对于自动分段算法，主要介绍了体素化分段算法、特征识别式分段算法、多目标优化分段算法和聚类式分段算法。分析结果表明，现有分段算法仍存在适用范围受限、应用快速成型工艺单一、未考虑后续拼接环节以及测试模型多为非工程用零件等问题。因此，开展关于分段算法效果评价准则的建立、结合多种快速成型工艺的应用以及考虑模型拼接后的性能分析等方面的相关研究，可有效提高分段算法的实用价值，为后续分层处理奠定基础。

在计算机辅助设计（computer aided design，CAD）中，对机械零件的三维模型进行分类和检索有利于设计人员重用设计信息，从而缩短产品的开发周期，以快速响应市场需求。针对三维模型的分类与检索，提出了一种基于极半径曲面矩和隐马尔科夫模型（hidden Markov model，HMM）的分类与检索算法。首先，计算三维模型的极半径曲面矩并组成特征向量，经排序编码后，将其作为HMM的观测序列；然后，取一部分人工标注过的三维模型作为训练样本，采用添加比例因子的多观测序列B-W（Baum-Welch）算法对HMM进行训练；最后，利用训练好的HMM对三维模型进行分类与检索。实验结果显示，与现有的2种分类与检索算法相比，所提出的算法具有更高的识别率和检索效率。该算法的特点是：极半径曲面矩计算快，不用将三维模型体素化；HMM训练快，分类能力强，且不需要大量训练样本就有一定的分类能力。研究表明，所提出的算法能较好地解决三维模型的分类与检索问题，具有一定的实用价值。

平板作为可控震源振动器的核心部件，其焊接部位的疲劳可靠性直接影响其自身的使用寿命和地震信号的激发品质。为了准确得到振动器平板焊接部位的疲劳可靠性，基于模糊综合评价法对其进行可靠性分析。首先，确定振动器平板疲劳可靠性影响因素的集合，并通过多位专家打分评估的方式建立影响因素的权重矩阵和评价矩阵，进而得到平板疲劳可靠性的模糊综合评价矩阵。然后，根据模糊综合评价结果，确定基于S—N曲线法和断裂力学法的平板疲劳可靠性分析模型的权重系数，并建立平板疲劳可靠性模糊综合分析模型。以振动器的结构、载荷和材料参数以及疲劳裂纹扩展的影响因素为随机变量，开展平板的疲劳可靠性优化设计。结果表明，优化后平板的综合疲劳可靠性提高了1.8%。研究结果可为提高可控震源振动器平板的抗疲劳性能和使用寿命提供重要的理论依据。

智能制造是我国近年来大力倡导的重点发展方向之一。随着智能制造试点的不断建立、发展和完善，数字孪生技术逐步得到应用。基于此，以五轴加工中心智能生产线为例，对数字孪生技术的应用情况进行总结。基于数字孪生技术，按1∶1的比例构建五轴加工中心智能生产线上实体设备的数字模型并配置对应的物理属性，使得数字模型具有与实体设备相同的动作状态。然后，对数字模型进行信号点设置并与外部控制信号进行映射与连接，实现对建成前五轴加工中心智能生产线的虚拟调试，并通过不断迭代获得最优的建设方案。实践结果表明，利用数字孪生可实现智能生产线组合、调试和生产的虚拟仿真；基于数字孪生的虚拟仿真功能，可实现产品物理属性参数和设计精准度的可视化展示，使得产品在设计阶段就能通过适应性验证，实现快速更新；在智能生产线建成后，利用数字孪生可实现对生产线上实体设备的管理及其工作状态的实时监控，以更好地了解各设备的运行状态。综上，数字孪生技术贯穿了智能生产线的全生命周期，可在智能制造领域推广应用。

云模型是通过熵来控制云滴的不确定度，并利用模糊集理论中的隶属函数来判断云滴的优劣，其正向云发生器可显著提高智能优化算法的全局寻优能力。为此，采用云模型中的正向云发生器来改进人工鱼群算法（称为云模型人工鱼群算法），并将其应用于机械零部件的模糊优化设计。首先，确定模糊综合评判所需的机械零部件的相关参数，并通过模糊综合评判确定其最优水平截集；然后，采用增广乘子法和云模型人工鱼群算法来求解机械零部件的模糊优化问题，并利用拟离散法将机械零部件的参数调整至对应的尺寸系列中，且确保其可通过疲劳强度校核。直齿圆柱齿轮和内燃机气门弹簧的模糊优化设计结果表明：为确保约束条件可被满足，应取较大的罚因子，使得拉格朗日函数中的Hessian 矩阵正定；云模型可显著提高人工鱼群算法的寻优能力。所提出的模糊优化方法可广泛应用于机械零部件的设计，这对工程实际具有一定的意义。

为了缓解多巷道式立体车库在存取车高峰时的车辆拥堵状况，实现车辆存取的安全、节能和减时，进行了车库的优化设计与车辆存取策略研究。设计了一种带有随行承载板的多巷道式智能立体车库，其由机电执行系统和计算机控制系统两大部分构成。机电执行系统主要由人车分离舱、水平传输机构、提升机构、堆垛式储架、随行承载板库和安全保护机构组成。计算机控制系统主要由控制室内的上位机（电脑服务器）和巷道机车上的下位机（PLC，programmable logic controller，可编程控制器）组成。依据机械设计方法对水平传输机构进行了优化设计，消除了水平传输机构进行堆垛动作时对巷道机车产生的侧倾力矩，并且节省了电机动作时间。为提高取车车主等待服务的满意度，提出了“取车优先+交叉排队存取”策略，采用计算机控制方法完成取车与交叉排队存取车的自动化控制。利用MATLAB软件的遗传算法（genetic algorithm， GA）工具箱实现存车时的空位寻优。研究结果为多巷道式立体车库运行的低能耗和低时耗提供了一条实现路径。

准确描述在扫描信号激振下振动器与大地之间的相互作用是研究可控震源激振规律的关键。根据弹性半空间理论，建立了振动器-大地耦合振动模型，提出了振动器-大地耦合动刚度和动阻尼的数学描述，进行了耦合模型的试验验证，研究了耦合参数对动刚度和动阻尼的影响规律。结果表明，影响动刚度和动阻尼的耦合参数包括扫描频率、大地弹性模量、土壤密度和平板底面积；平板和地面之间的相互作用随着扫描频率的提高而减弱；弹性模量较大、密度较小的土壤与平板之间的相互作用较强，更有利于振动出力，而加大平板底面积对增大动刚度的作用随着扫描频率的提高而减弱。采用可控震源进行勘探作业时，应考虑扫描频率、土壤性质、平板底面积对动刚度和动阻尼的影响，以获得期望的地震激发信号。

大型旋转机械传动系统的振动特性直接影响其运行平稳性，而万向联轴器是传动系统中必不可少的关键零部件。为此，以三叉式-球笼式双联万向联轴器为研究对象，对其扭转振动特性进行分析。首先，建立三叉式-球笼式双联万向联轴器的扭转振动模型，并基于拉格朗日方程建立其动力学方程。然后，利用Runge-Kutta算法对所建立的动力学方程进行数值求解，得到了三叉式-球笼式双联万向联轴器输入轴与输出轴之间转角差和角速度差随时间的变化情况。最后，利用MATLAB软件进行仿真验证，分析了三叉式-球笼式双联万向联轴器输入轴与中间轴的夹角和外激励对其扭转振动特性的影响。结果表明：三叉式-球笼式双联万向联轴器固有频率的理论计算结果与数值仿真结果相吻合；三叉式-球笼式双联万向联轴器输入轴与中间轴的夹角和外激励会对其输入轴与输出轴之间的转角差和角速度差的幅值产生不稳定的影响，从而导致联轴器产生扭转振动响应；随着输入轴与中间轴的夹角和外激励的增大，三叉式-球笼式双联万向联轴器产生的扭转振动响应增大。研究结果可为三叉式-球笼式双联万向联轴器的设计、制造和应用提供理论依据。

摩擦、磨损是导致运动副失效的主要因素，而表面织构化是一种改善运动副摩擦学性能的有效手段。为此，在传统圆形和三角形表面织构的基础上，设计了几种新型表面织构，并分别建立其二维和三维模型；利用CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）软件Fluent对新型表面织构进行仿真分析，研究了表面织构的几何参数（圆弧状凸起高度和三角形形状）和分布角度对其表面的速度场和承载力的影响。结果表明：对于圆形表面织构，底部有圆弧状凸起的普遍具有更大的承载力，且当凸起高度为0.6 mm时，其承载力达到最大；对于三角形表面织构，所设计的新型三角形Ⅰ表面织构的承载力较大；表面织构的分布角度对其承载力的影响显著，当分布角度为75°时，表面织构的承载力最大。研究结果可为运动副表面织构的设计及优化提供一定的理论参考。

为研制既具备一定的负载能力，又具有高隐蔽性的飞行器，依据鸟类的飞行方式，设计了一种可以超低空飞行的仿生扑翼飞行器。首先，计算了扑翼飞行器传动机构的自由度，从原理上确定了设计方案的可行性，并确定了飞行器各个构件的尺寸；其次，利用设计软件Creo绘制飞行器三维模型，通过运动仿真得出飞行器的扑动符合设计要求；然后，利用ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical system，机械系统动力学自动分析）软件对飞行器进行动力学仿真，得到飞行器在扑动过程中的扑动幅度和角速度变化情况，验证了飞行器三维模型设计的合理性，并计算了飞行器旋转关节处的平衡力矩；最后，制作了扑翼飞行器的样机，并进行了室内和户外飞行试验。动力学仿真分析和飞行试验表明，所设计的扑翼飞行器扑动稳定性良好，具有较强的飞行能力和仿生隐蔽性，飞行效果达到预期。该扑翼飞行器可以进行超低空飞行，应用前景较广。

目前，被动式助行外骨骼的能量转化效率较低。基于人体步态特征及人在行走过程中产生的重力势能和动能，分析了外骨骼的助力原理，并采用多级能量锁止机构设计了一款下肢被动式外骨骼。建立了外骨骼的动力学仿真模型，以体重和行走速度为变量，对外骨骼储能性能进行了仿真分析。以肌电信号为依据对外骨骼的助力性能进行了研究，对比了在穿戴/未穿戴外骨骼时下肢各肌肉肌电信号的时域曲线及积分值。结果表明，多级能量锁止机构可以提高外骨骼的储能效率，外骨骼对不同体重和不同行走速度具有优良的自适应性，且存储能量与体重、行走速度均成正相关关系。该外骨骼在不同的行走状态下均具有良好的助力作用。

作为一种基础零部件，轴承的种类繁多且在工业生产中的需求量极大。为方便用户使用，两端面材质不同的轴承在包装前须进行整理，以使材质相同的端面朝同一方向。目前国内大多数轴承制造企业仍采用人工整理方式，效率低下。为了提高轴承整理速度并降低制造企业的成本，以608-Z型轴承为例，从快速、方便地整理轴承的设计目标出发，创新性地设计了一种以PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）为控制核心、以色标传感器为主要传感元件、以气缸和电动转盘为主要执行机构的轴承端面检测及整理装置。该装置通过颜色识别来分辨轴承端面的朝向，通过气缸来控制轴承的翻转和排列，从而实现对轴承的检测和整理。基于颜色识别的轴承端面检测及整理装置具有识别快速、机械结构简单可靠以及运行稳定等特点，可实现对轴承端面的检测和轴承的整理。测试结果表明，所设计的装置能够满足实际的轴承生产需求，可为促进轴承制造企业的转型升级和推动无人化工厂的逐步实施提供参考。

为了提高生化分析仪微量移液的可靠性，提出了一种基于图像分割法的移液故障判断和移液量检测系统。基于STM32微控制器，利用速度位置双闭环PID （proportion-integral-derivative，比例-积分-微分）算法控制微量移液系统的步进电机，设计了生化分析仪的自动移液控制系统。采集移液过程图像作为样本图像，建立了移液数据集。分别对剪枝前后的U-Net神经网络模型进行训练，并比较模型的计算量、参数量和平均交并比。通过剪枝后U-Net模型对移液区域的分割和处理，实现移液系统的故障判断，并结合移液吸头的几何特征建立移液体积模型，以计算移液体积。进行了基于图像分割法的微量移液实验，对移液误差进行分析，并利用最小二乘法、亚像素角点检测和极限学习机进行误差补偿。结果表明，剪枝后U-Net神经网络模型的计算量、参数量和平均交并比分别下降了47.30%，93.99%和0.61%，模型运行效率显著提升。针对10，50，100 μL的检定点，微量移液系统的移液精度分别达到1.72%、1.36%和1.39%，满足微量移液系统的精度设计要求。基于图像分割法的移液监测系统能够有效判断移液故障并检测移液体积。研究结果对微量移液技术的发展起到一定的推动作用。

弹簧组是线性压缩机的关键部件。为了优化线性压缩机的弹簧组，减小弹簧组的体积和重量，提高线性压缩机的工作效率，设计了一种易于加工的、大刚度的多线型圆柱臂盘簧。采用ANSYS有限元分析软件对圆柱臂盘簧进行刚度计算和模态分析，研究了圆柱臂盘簧中心线的基圆半径、盘簧线径、盘簧轴向高度等主要结构参数对其刚度和应力的影响。结果表明：随着基圆半径的增大，圆柱臂盘簧的轴向刚度、最大应力逐渐减小，径向刚度变化曲线近似为开口向上的二次函数曲线；随着线径的增大，圆柱臂盘簧的轴向刚度和径向刚度加速增大，最大应力基本呈线性增大。在设计圆柱臂盘簧时，将基圆半径设定在15~19 mm，有利于提高盘簧的性能；若线径为4~6 mm，应优先选择0 mm的轴向高度；若线径为6~8 mm，则优先选择10 mm的轴向高度。研究结果对提升线性压缩机的弹簧支撑技术具有重要的参考价值。

移动并联机构的结构和运动模式对其移动性能的影响较大，而传统移动并联机构无法通过切换运动模式来适应复杂的地形环境。为提高移动并联机构的地形适应能力，以平面开/闭链6R（转动副）机构为基本单元，设计了一种可重构的空间开/闭链6R移动并联机构。通过控制单环6R机构的打开与闭合，该可重构移动并联机构可实现3种运动模式。其中，折叠模式时用于携带与储运；足式越障模式时可通过调节转动副角度来适应地面行走；滚动模式时可通过杆件的交替铺展支撑来实现在平面、凹凸或松软地面上的滚动。通过对可重构的空间开/闭链6R移动并联机构进行自由度分析和驱动配置，建立了该机构的运动学模型，并对其足式越障性能以及滚动模式在多种地形下的可行性进行分析。最后通过仿真分析来验证该机构的结构设计及其运动学模型的正确性。结果表明，可重构的空间开/闭链6R移动并联机构的3种运动模式均具有可行性和有效性，其稳定性和环境适应能力较为优良。研究结果为可重构移动机构的设计提供了参考。

用于消减宽频带低频噪声的消声器的结构尺寸较大，且消声性能较差。因此，利用穿孔管的宽带消声特性和膜结构对低频噪声良好的消声性能，设计了穿孔管与超材料薄膜耦合的消声结构。分析了消声结构的消声机理，仿真分析了消声结构参数对消声性能的影响。结果表明：主管道内声波与消声结构谐振系统的耦合强度越大，薄膜的振动越剧烈，反射回上游管道的声波越强，则传入下游管道的声波越弱；消声结构传递损失峰值所对应的频率与超材料薄膜的第1阶共振频率基本一致。设计了螺旋形消声结构，对其消声性能进行仿真和实验测试，结果表明仿真结果与实验结果吻合较好。研究结果可为宽频带低频噪声的控制提供有益参考。