手势作为人机交互的重要方式，因灵活性与便捷性强，已成为控制领域的研究重点。针对上肢康复机器人手势识别技术存在的不足，结合特征组合与滑动窗口法，提出一种基于人工鱼群算法（artificial fish swarm algorithm，AFSA）优化的极限学习机（extreme learning machine，ELM）的多手势精准识别方法，以提高手势识别的准确率。首先，运用表面肌电测量系统采集人体常用的8种手势对应的表面肌电信号（surface electromyography，SEMG），作为后续分类模型的信号源，并运用去噪技术与起止点检测技术对SEMG进行预处理；然后，选取通过主成分分析（principal components analysis，PCA）降维处理后的最优特征组合与最优滑动窗口；接着，采用AFSA搜寻ELM的最优输入权值和隐含阈值，以提高其分类准确率；最后，对AFSA优化的ELM（AFSA-ELM）分类模型、反向传播（back propagation，BP）神经网络分类模型和未优化的ELM分类模型进行比较，以验证所提出方法的精准性。实验结果表明，结合最优特征组合与最优滑动窗口设计的AFSA-ELM分类模型对多种手势的平均识别准确率高达97.4%，比BP神经网络分类模型和未优化的ELM分类模型分别高3.5%和1.6%，验证了所提出方法的识别精准性。研究结果可为手势识别提供新思路，进而为人体上肢动作的深度分析和上肢康复机器人手势识别算法的优化提供理论基础和参考。

研制高可靠的密封结构对推动焚烧灰处理装备的工业化有着极其重要的作用。基于对现有密封结构的分析，利用TRIZ （Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，发明问题解决理论）提出了一种主密封与辅助密封相结合的双密封方式，创新设计了适用于远程控制的焚烧灰处理装备密封结构，有效解决了焚烧灰处理装备的密封问题。建立新型密封结构的性能评价指标及其计算公式，并根据焚烧灰处理装备的使用工况进行了密封性能分析。采用有限元分析方法对该密封结构进行了仿真分析，通过参数优化确定了最终创新方案。实际应用结果表明，所设计的新型密封结构能满足小时泄漏率4级标准，对接平台与标准钢桶的对中精度较高。相比现有密封结构，其整体性能得到显著提高，已在焚烧灰处理装备中得到良好应用。

以小腿三头肌的康复训练为应用背景，研究了滑块摇杆机构对小腿三头肌的康复作用。推导了滑块摇杆康复机构的矢量方程，建立了其数学模型，并利用MATLAB软件进行了滑块摇杆康复机构的运动仿真。结果显示：通过控制机构滑块的位移、速度和加速度可以间接地控制末端执行器的运动，从而形成能满足患者不同需求的康复模式；为保证滑块摇杆康复机构在使用过程中的安全性，滑块位移的变化区间应为200~700 mm。开展了滑块摇杆康复机构对小腿三头肌的按摩实验。结果显示，使用滑块摇杆康复机构后，小腿三头肌的表面肌电信号明显改变，使用前后小腿三头肌的肌电值有显著性差异（p1=0.037<0.05），使用过程中肌电值的峰值有显著性差异（p2=0.018<0.05），说明该机构对小腿三头肌有显著、有效的康复性刺激。研究结果可为滑块摇杆机构在康复医疗中的应用提供理论参考。

刀尖点动力学特性直接影响切削稳定性和加工表面的质量。现阶段对主轴运行状态下刀尖点动力学特性的理论研究和实验研究分别存在着建模复杂和设备昂贵等局限性。为此，提出一种基于半理论法的主轴运行状态下刀尖点动力学行为分异特征辨识方法。该方法将分异特征辨识转化为一类优化设计问题，即以不同转速下刀尖点动力学特性参数为变量、以极限切深和颤振频率的实验标定值与理论预测值的偏差之和最小为目标构建优化模型，并借助粒子群退火优化算法进行求解，从而获得在不同转速下刀尖点动力学行为的分异特征及规律。以某型立式加工中心为平台，通过变切深铣削实验，对所提出的辨识方法进行验证，结果显示极限切深预测值与标定值吻合度较高。在不需复杂建模和昂贵实验设备的条件下，利用所提出的方法能够准确预测运行状态下刀尖点动力学行为分异特征，实现切削稳定性的精准预测，为进一步提高铣削加工质量和效率提供理论基础和数据支撑。

为研究碳刷研磨装置的研磨精度，以自主研制的碳刷研磨装置为平台，基于Archard模型构建了碳刷研磨成形去除模型，并得到了碳刷研磨成形去除率预测公式，从而获得了横、纵向所需去除长度不同的碳刷的研磨次数。然后，基于所研制的碳刷研磨装置，开展了碳刷研磨成形正交实验以及碳刷研磨成形去除模型验证实验。结果表明，对碳刷研磨成形效果产生影响的因素按影响程度从大到小排序，依次为压下弹簧弹性系数、砂纸目数、砂轮步进电机脉冲频率；基于建立的去除率预测公式所获得的碳刷研磨次数较为准确，可保证碳刷的研磨效率。研究结果为不同型号碳刷研磨装置的进一步研发提供了理论指导和实验依据。

踩踏式除草是有效的有机水田除草方式，对该除草过程进行仿真分析与评价可为除草机器人的设计提供重要参考。以踩踏式除草机器人为研究对象，基于ANSYS/LS-DYNA软件中的SPH（smoothed particle hydrodynamics，平滑粒子流体动力学）算法建立机器人踩踏式除草过程的有限元模型，分析了除草机器人与有机水田的土层、水层之间的多相耦合关系，并模拟了踩踏式除草的动态过程。基于踩踏式除草机理，分析了影响踩踏式除草效果的因素，并提出了除草效果的综合评价方法。基于仿真和试验，研究了机器人质量、运动速度和水层厚度对踩踏式除草效果的影响，并通过对比试验验证了所构建有限元模型的可靠性以及所提出评价方法的有效性。在此基础上，设计了正交仿真试验，分析了机器人质量、运动速度和水层厚度对踩踏式除草效果的影响程度。研究结果表明：建立的除草机器人与土层、水层之间的多相流耦合模型可以很好地描述踩踏式除草的动态过程；3种因素对踩踏式除草效果影响的主次顺序为机器人运动速度、水层厚度、机器人质量，合理配置工作参数可以提升除草效果。研究结果丰富了多相流动态建模方法，并为除草机器人作业参数的选择提供了依据。

可溶球座压裂后无需钻除作业，可自行溶解而实现井眼全通径，已成为致密油气水平井分段体积压裂的关键工具。可溶球座密封环的密封性能决定着水平井压裂作业的成败，因此开展了密封环密封性能的仿真分析及其结构优化研究。分析了可溶球座密封环的工作原理，运用有限元仿真方法分析了其密封性能。结果表明，坐封完成后密封环所受最大应力达到182.26 MPa，存在局部破坏的风险。进行了密封环材料和结构的优化设计，分析了各结构参数对密封性能的影响。优化后可溶球座能在50 kN坐封力的作用下安全坐封，密封环与套管内壁和滑动体的最大接触应力均大于压裂液压力，且接触应力分布较为均匀，满足密封要求。密封环结构优化后，可溶球座的密封和安全性能得到了提高。研究结果可为可溶球座密封环结构的改进提供参考。

安全带静态拉伸工况以及行李箱动态碰撞工况是汽车座椅安全法规中的2个重要工况。在满足安全法规要求的前提下，为实现汽车座椅的轻量化设计，提出了一种基于多工况的座椅骨架轻量化设计方法。以汽车座椅安全法规为设计准则，以座椅骨架质量最小为设计目标，综合考虑静、动态工况，对座椅骨架关键构件的尺寸进行优化设计。首先，建立座椅骨架的有限元模型，并以座椅骨架的质量为响应进行灵敏度分析，确定座椅骨架关键构件尺寸优化的设计变量；然后，建立座椅骨架关键构件尺寸优化的数学模型，实现座椅骨架的轻量化设计；最后，对优化后的座椅进行静、动态工况下的有限元仿真分析和试验研究，以验证优化结果的正确性。结果表明，相较于原座椅，优化后的座椅在满足安全法规要求的前提下减重7.89%，验证了所提出的轻量化设计方法的有效性。研究结果可为汽车座椅的安全性分析和轻量化设计提供参考，具有重要的工程实用价值。

传统的电液激振缸随着激振频率的提高，振动幅值急剧衰减，振幅补偿性能变差。为了解决这一问题，设计了一种双弹簧电液激振缸结构。分析了双弹簧电液激振缸的工作原理，建立了其数学模型和AMESim仿真模型，研究了激振频率、补偿弹簧刚度对其活塞杆位移的影响。结果表明：当激振频率为28 Hz、补偿弹簧刚度为31 N/mm时，激振缸活塞杆的位移增大6.24 mm，相比同一条件下的传统电液激振缸增大了15倍多；在双弹簧电液激振缸的工作过程中，其活塞杆位移振幅存在振荡区和稳定区，稳定区内的振幅大小直接决定了振幅补偿效果的优劣；在补偿弹簧刚度一定的情况下，活塞杆位移振幅不与激振频率呈简单的正相关或负相关关系，而在某一激振频率下谐振现象最明显，能使振幅补偿效果达到最优；激振频率不同，则补偿弹簧最优刚度不同，随着激振频率的提高，补偿弹簧刚度应相应增大。相比于传统的电液激振缸，双弹簧电液激振缸的振动幅值有较大提升，在工程应用中能取得更好的振幅补偿效果。

机械式自动垂直钻具具有耐高温、成本低和适用范围广等优点，其在深部资源勘探领域有广阔的应用前景，但纯机械式结构导致其纠斜精度易受外界环境的干扰。为进一步提高机械式自动垂直钻具的纠斜精度，对不同强度黏滑振动下钻具稳定平台的控制性能进行研究。首先，通过构建钻具稳定平台控制性能的数学分析模型，得到影响稳定平台控制性能的因素。然后，利用ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）软件建立黏滑振动下钻具稳定平台的多刚体动力学仿真模型，并对不同影响因素以及振动强度下稳定平台的控制精度和控制效率进行分析。最后，综合分析得到钻具稳定平台控制性能最优时各影响因素的推荐值。分析结果表明：PDC（polycrystalline diamond compact，聚晶金刚石复合片）半径对钻具稳定平台控制精度的影响最大，而填充物密度的影响极小；轻度和中度黏滑振动对钻具稳定平台控制效率的影响不大，重度黏滑振动可大幅提高控制效率，但黏滑振动强度对控制精度几乎没有影响。研究结果可为黏滑振动下机械式自动垂直钻具的优化设计提供参考。

起落架是飞机重要的承载机构，其在飞机的起飞、降落和着陆过程中担负着十分重要的作用。起落架着陆载荷是指在飞机着陆瞬间起落架所承受的地面载荷，根据位置的不同可分为轮胎接地点载荷、轮轴点载荷和交点载荷。飞机设计重量（包括空机重量、商载和燃油重量）的分布变化会对起落架着陆载荷产生影响。以典型民用飞机的起落架为研究对象，基于虚拟样机技术对起落架模型进行着陆分析。首先利用HyperMesh、MSC.Nastran软件对飞机起落架模型进行前处理和简化，然后根据中国民用航空规章运输类飞机适航标准相关条目要求，在MSC.ADAMS软件中设置相应的工况参数并进行起落架着陆动力学仿真分析，研究不同燃油密度下飞机的重量和重心变化对起落架轮轴点着陆载荷的影响。通过对比仿真结果可以发现：飞机的重量和重心变化对起落架轮轴点着陆载荷产生了明显的影响，而燃油密度变化对起落架轮轴点着陆载荷的影响较弱。研究结果可为今后有针对性地开展起落架着陆载荷计算提供参考和指导。

无动力外骨骼具有质量小、代谢能耗低、基本不改变正常步态、无需外动力源和可持续工作时间长等优点，已逐渐成为新型外骨骼领域的研究热点。为提升常规无动力下肢外骨骼对步态能量的利用效率，设计了一种肌力协同补偿的无动力下肢外骨骼。首先，通过建立人体下肢动力学模型分析了行走过程中下肢能量的变化规律，得到了步态能量的储存与释放机理；然后，结合设置代起止点的折线路径及肌力贡献度，制定了关节肌肉的肌力协同补偿路径；最后，基于踝、髋关节的刚度设计了弹性储能元件，构建了一款无动力柔性下肢外骨骼，并利用OpenSim软件分析了有无穿戴外骨骼时人体下肢相关肌肉在行走过程中的代谢能耗。结果表明，在穿戴无动力下肢外骨骼时，比目鱼肌、腓肠肌和胫骨前肌的代谢能耗分别降低了31.5%，34.7%和40.0%，股直肌、阔筋膜张肌和缝匠肌的代谢能耗分别降低了36.3%，7.0%和5.0%；单个步态周期内下肢相关肌肉的总代谢能耗降低了15.5%。研究结果可为低代谢能耗的无动力下肢外骨骼的优化设计提供一定的理论依据。

针对目前工业生产线上的VVT（variable valve timing，可变气门正时）发动机转子存在尺寸误差和外观缺陷等问题，大多数工厂采用人工方式来测量尺寸和检测缺陷，但人工测量和检测的精度易受外部环境和主观意识的影响，从而产生过检和漏检。为此，设计了一种基于机器视觉的VVT发动机转子缺陷检测系统。首先，针对VVT发动机转子凸台外边缘磕碰点对外径测量的干扰，提出一种基于梯度特征和位置序列的磕碰点检测算法，先通过分析轮廓点的距离-位置序列、梯度-位置序列曲线来筛选并去除凸台外边缘的磕碰点，再采用最小二乘法对筛选后的轮廓点进行圆弧拟合以实现外径测量。然后，针对VVT发动机转子端面上的划痕、划伤等缺陷，提出一种基于改进HOG（histogram of oriented gradient，方向梯度直方图）特征的SVM（support vector machines，支持向量机）分类算法，先采用连通域分析方法得到待检测的目标区域，再提取目标区域的改进HOG特征，并利用SVM进行分类，以实现端面缺陷的检测。实验结果表明，所设计的缺陷检测系统在测量VVT发动机转子外径时的绝对精度可达到0.01 mm，且能够准确地筛选出凸台外边缘的磕碰点；因改进的HOG特征优于传统的HOG特征，所设计的缺陷检测系统在检测转子端面缺陷时具有较低的过检率和漏检率。综上可知，基于机器视觉的VVT发动机转子缺陷检测系统可实现外径的精确测量和外观缺陷的有效检测，基本满足工业检测要求，具有较高的实用价值。