针对四轮独立驱动与四轮独立转向（four-wheel independent drive and four-wheel independent steering, 4WID-4WIS）智能车的转向行驶工况，基于阿克曼转向原理，提出一种利用三阶贝塞尔曲线进行轨迹规划的新方法。首先，采用最优函数获取一条满足智能车初始状态约束、目标状态约束和曲率连续约束且曲率差值最小的最优轨迹。然后，提出一种位置估算算法，即基于惯性导航系统测量的航向角和编码器的脉冲数对智能车的位置增量进行计算，从而估算其行驶时的位置，并推算运行轨迹的长度。最后，在MATLAB软件中对所规划的智能车轨迹进行仿真计算，并在实车试验平台上验证轨迹规划方法和位置估算算法的合理性和可行性。结果表明，4WID-4WIS智能车能够按规划的轨迹行驶到给定终点，其横向位置估算误差为0.19%，纵向位置估算误差为0.20%，运行轨迹长度推算误差为0.22%；相比于其他里程计算法、测距法等单一算法，所提出的位置估算算法的精度高，可为其他移动机器人的轨迹规划和位置估算提供参考。

为了提高移动机器人的越障性能，实现其自主越障，设计了一种轮-履-腿复合仿生机器人，并对其进行步态规划和越障性能分析。首先，以海龟为仿生对象，通过分析其身体结构和稳定机理，设计了机器人的轮-履-腿复合式移动机构和二自由度支腿结构；同时，基于该机器人的结构特征，利用D-H（Denavit-Hartenberg）法建立了坐标系并求解了其支腿的运动学方程。然后，通过观察海龟的爬行过程，将其单个爬行步态周期内的动作分解成放腿、爬行、抬腿和摆腿，并结合运动学模型对机器人进行步态规划，提出了4种仿海龟爬行步态。接着，以机器人的四腿爬行步态为例，利用静力学方法分析了其支腿关节的受力情况，而后通过分析机器人跨越壕沟和攀越台阶的过程，以最大跨越壕沟宽度和攀越台阶高度为指标对其越障性能进行了评价。最后，制作了机器人实验样机，开展了步态实验和越障实验。实验结果表明，该机器人可以利用4种仿海龟爬行步态实现横向移动、纵向移动和原地旋转，且具有很好的越障性能和稳定性；机器人能跨越最大宽度为434 mm的壕沟，攀越最大高度为175 mm的台阶。实验结果进一步验证了所设计的仿海龟机械结构可行，所规划的仿海龟爬行步态合理，以及所建立的越障理论模型正确。研究结果可为移动机器人的结构优化和越障性能提升提供借鉴。

针对脑卒中患者因大脑神经损伤而造成的上肢运动功能缺失，结合镜像疗法的机器人辅助训练可通过促使双侧肢协同运动来有效地促进大脑神经元重塑，从而实现运动功能恢复。为此，将镜像康复理论、虚拟现实技术和机器人技术有效结合，提出一种体感交互式上肢镜像康复训练机器人系统。使用动作捕捉设备采集患者健肢的位姿信息，通过设计人机镜像运动映射算法来映射上肢康复训练机器人的运动轨迹。考虑到康复治疗的柔性需要，该机器人的关节采用基于比例压力控制的摆动气缸来驱动；同时，针对气动系统的特性，设计了PD（proportional differential，比例微分）+速度前馈补偿的轨迹跟踪控制策略，实现了双侧肢协同运动的镜像康复训练。通过对机器人系统样机进行复合运动轨迹规划试验和镜像康复训练试验，验证了该系统在镜像康复治疗中的可行性和有效性。所设计的机器人系统为人体双侧肢协同运动的康复训练临床需求提供了设计思路和实现方法。

以燃油发动机驱动的山地物探钻机在钻井时噪声大，尾气排放严重，钻井效率低，拆装、搬运不便。为解决上述问题，以电能驱动代替燃油机驱动，提出了山地物探电动钻机模块化设计方案。基于模糊综合评价法，开展了电动钻机驱动电机和传动方式的定量评价，确定其驱动电机为永磁同步电机，传动方式为链轮链条传动，同时通过对比优选出电动钻机的减速器、支撑部件和导向部件分别为涡轮蜗杆减速器、π形底盘和单桅杆。在此基础上，采用有限单元分析方法进行了电动钻机的安全性分析，结果表明：钻机的最大应力出现在π形底盘连接桅杆的直角处，其值小于钻机材料的许用应力，钻机的结构安全，且电机电路安全可靠。钻井实验结果表明：自主设计的山地物探电动钻机较现有山地物探钻机质量减小了57%，钻井作业时噪声低，无尾气排放，可提供的最大提升力和扭矩分别超过设计标准的71%与6.25%，表明其整体性能符合要求。研究结果为绿色高效的油气勘探装备的研发提供了参考。

针对压电执行器和压电驱动平台输出行程有限的问题，设计了一种三角混合两级杠杆微位移放大机构。首先，理论推导了该微位移放大机构的位移放大公式，得到了位移放大比；其次，分析了不同类型两级杠杆结构支点铰链对施加载荷的敏感性；最后，利用ANSYS软件对机构进行静力学和动力学仿真，对机构的相对寄生运动比和固有频率进行了分析。结果表明：当选取直梁形铰链作为两级杠杆结构的支点铰链时，机构对施加载荷的敏感性较强；机构位移放大比理论值与仿真值的相对误差为9.56%，相对寄生运动比为0.348 2，且1阶固有频率最佳。所设计的微位移放大机构具有较小的寄生位移、较强的抗干扰能力和较好的动力学性能。研究结果为压电驱动器或快速反射镜支撑结构实现大量程的位移输出提供了一定的理论指导。

为探究维修场所选择对动车组多部件维修策略制定的影响，综合考虑维修方式、维修场所类别和维修人员等因素，以减少维修成本和维修时间为目标，建立了考虑维修场所的动车组多部件双目标成组维修模型。首先，在两级非完美维修方式的基础上，引入维修场所对维修方式的约束，通过维修场所的选择进一步选择维修方式。然后，提出一种部件维修任务分配算法，实现了维修人员与部件维修任务的优化匹配，使得系统维修时间最短；同时，将该算法引入到遗传算法中，用于求解考虑维修场所和系统维修时间的成组维修模型。实例分析表明，所提出的维修策略在满足动车组部件可靠度要求的前提下，减少了系统的维修成本和维修时间。研究结果可为合理制定动车组维修策略提供理论参考。

为了保证用于对接回转型自主水下机器人（autonomous underwater vehicle， AUV）的开合式接驳装置处于水下单点系泊悬浮状态时的平衡与稳定，须对其进行配重优化设计。通过对开合对接机构的位移分析，获得接驳装置体重心和浮心位置的变化范围；基于静力学理论，建立并分析重心、浮心和拖点的相对位置与接驳装置悬浮平衡纵倾角的关系。为了使接驳装置悬浮平衡纵倾角及其波动幅值小，及配重后接驳装置的质量最小，建立AUV接驳装置配重优化模型，并采用序列二次规划（sequential quadratic programming， SQP）方法对配重铅块、浮力材的特征尺寸和拖点位置等配重参数进行优化设计。通过接驳装置单点系泊悬浮实验，验证了优化配重后接驳装置满足设计要求。研究结果表明：相比自由拖架形式，采用固定拖架形式可以增大拖点与重心之间的垂向距离，非常有利于装置的水下悬浮平衡；相比经验配重设计，优化配置后装置总质量约减小了13.4 kg，悬浮平衡纵倾角波动幅值约减小90.68%，稳心高约增加7.63 mm，配重优化后AUV接驳装置系泊悬浮平衡状态良好。配重优化模型的建立及分析结果对水下接驳拖体的衡重设计及其拖架方案设计具有一定的指导意义。

为解决工业机器人工作效率低、能耗损失严重和关节冲击磨损较大的问题，提出了一种基于布谷鸟搜索（cuckoo search， CS）算法和非支配排序遗传算法-II（non-dominated sorting genetic algorithm-II， NSGA-II）的混合算法（简称为CSNSGA-II），用于机器人的轨迹优化。采用5次非均匀有理B样条（non-uniform rational B-splines， NURBS）曲线作为工业机器人的轨迹规划曲线，同时以运动时间、能耗和冲击磨损为优化目标构建相应的多目标轨迹优化模型，并在速度、加速度和加加速度的约束下采用CSNSGA-II进行轨迹优化。CSNSGA-II以Tent混沌映射初始化时间序列，采用不可行度算法将解分为可行解与不可行解，并利用改进的CS算法对不可行解进行处理。利用MATLAB软件对6R勃朗特机器人进行建模仿真，并对得到的非支配解集和归一化加权迭代最优值进行对比分析。仿真结果表明，相比于NSGA-II、多目标粒子群优化（multi-objective particle swarm optimization， MOPSO）算法，所提出的CSNSGA-II可更有效地对6R勃朗特机器人的轨迹进行优化，所得非支配解集更加均匀且接近真实Pareto前沿，最终得到的轨迹曲线较为平滑，可同时满足6R勃朗特机器人的高效率、低能耗及少冲击磨损的要求。所提出的方法可为进一步推动工业机器人在生产中的广泛应用以及提高生产能力和效率提供指导。

针对上一代自动抹灰机“头重脚轻”的问题，基于轻量化设计的理念，设计了一种基于钢丝绳传动的自动抹灰机。该装置主要分为横纵移模块、小车模块和喷涂模块，通过一根封闭的钢丝绳的传动快速高效地完成整个墙面的抹灰工作。对自动抹灰机中的主要承载件——钢丝绳进行了受力分析和计算，计算结果表明，所选择的6*7+IWS钢丝绳符合工况要求。对自动抹灰机的作业成本进行分析并与人工抹灰成本进行比较，表明自动抹灰机作业成本较低，具有良好的市场前景。轻量化的自动抹灰机工作性能好，工作效率高，环保性强，在现代建筑施工中具有很高的应用和推广价值。

针对柔顺停歇机构的柔性构件在运动中产生的大变形、大挠度等几何非线性行为，采用伪刚体模型法来分析该类非线性大变形系统。首先，基于大挠度理论对大变形柔性梁进行屈曲分析，运用第一、第二类椭圆积分模拟初始状态为直梁的柔性梁，用多项式拟合得到其载荷—位移关系式。结合边界条件与受力特性，得到柔性梁的等效非线性弹簧伪刚体模型。在此基础上，运用牛顿定律建立机构运动学方程，通过MATLAB/Simulink建模仿真求得曲柄匀速转动时滑块的位置，得到机构具有双停歇特性的滑块位移曲线，揭示了滑块位移与时间以及曲柄转角之间的关系，并通过ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）仿真验证了理论模型的准确性。其次，为了提高柔顺停歇机构的操作精度和工作性能，对其频率特性进行研究。运用Lagrange方程从机构整体出发建立其动力学模型，推导出柔顺停歇机构固有频率的解析表达式，分析了柔性长梁的截面参数、柔性梁长度和材料性能参数对机构固有频率的影响。结果表明，不同的参数对机构固有频率的影响是不同的，因此在进行柔顺停歇机构的优化设计时要综合考虑各参数对机构动力特性的影响。研究结果为柔顺停歇机构的优化设计奠定了一定基础。

传统升降机多采用链传动和钢丝绳传动的方式，存在占用空间大、运行平稳性差、噪声大和维修保养量大等问题。以显示器自动化生产线的功能需求为背景，根据其工艺要求，设计了一种采用同步带传动的具有换向移载装置和横向移载功能的多进多出型升降机。在此基础上，基于多体动力学理论构建了升降机刚柔耦合模型，利用ADAMS （automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）软件对升降机的动态特性进行仿真分析，对同步带传动系统和载货台的运行稳定性进行研究。结果表明：所设计的同步带传动机构能够满足显示器自动化生产线多进多出的功能需求，且运行平稳性较好；载货台的位置累积误差小于7 mm，运行速度误差小于1%，可以获得较高的定位精度；导向装置在传动过程中能抵消负载力矩，使传动平稳，保证了配重和载货台在升降过程中的稳定性。研究结果为同步带传动升降机在自动化生产线中的良好应用提供了一定的理论参考依据。

为满足碳中和背景下油气勘探企业对清洁、经济、高可靠性生产的需求，设计了基于双兆瓦级交流异步电动机变频调速的新型电代油驱动装置。采用模块化思想，设计了高压变电、低压传动分体模块箱式结构，提高了电代油驱动装置调度使用的便捷性，其中高压变电模块采用十二脉整流变压器，实现了在变频器成本无显著增加的前提下仅变压器成本增加25%，大幅节省了无功补偿成本，尤其是在场用电占比低的大功率钻进段，该装置的实测功率因数达0.95以上。针对双电机协同控制可能存在负荷不均衡的问题，设计了基于主从控制结构的PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）控制系统，并采用转速匹配控制结合变频器下垂控制的方法，实现了将电机转速偏差控制在10%以内；同时，所设计的控制系统支持多地操作以及现场数据远程监控，提高了电代油驱动装置的可靠性。试运行结果表明，所设计的电代油驱动装置满足实际工程需求，相较于传统柴油驱动装置，每月可节省52%的成本和减少27%的二氧化碳（CO₂）排放。所设计的装置在油气勘探节能领域具有一定的实用价值。

针对我国缺乏对批量种子活力检测装置的研究，以及传统检测方法可能会对种子样品造成不可逆损伤的问题，提出了一种通过可调谐半导体激光吸收光谱（tunable diode laser absorption spectroscopy， TDLAS）技术检测种子呼吸强度来判定其活力等级的无损检测方法，并设计了相应的检测装置，以实现对种子活力的批量检测。首先，从整体上设计了批量种子活力检测装置的结构，确定了上料—检测—分选—复位的工艺流程和要求。然后，对该检测装置的关键部件——种子盒进行了结构设计，同时对其内部光路进行了理论设计，并结合Zemax光学设计软件对内部光路进行了仿真分析。接着，对该检测装置控制系统的软、硬件进行了设计。最后，搭建了检测装置样机，并开展了上料、检测和分选试验。试验结果表明，所设计的批量种子活力检测装置样机的稳定性较好，其综合成功率达96.67%。研究结果可为批量种子活力检测装置的商品化和市场化提供参考。

城市潮汐交通拥堵问题可通过设置可变车道来解决。针对现有可变车道控制方式单一及智能化程度低等问题，设计了一种移动机器人来运载护栏，以完成车道隔离。为解决室外道路环境下的高精度定位问题，结合实际应用场景，应用超宽带（ultra wide band， UWB）技术设计了无线定位系统以及双标签融合定位法，实现了运载机器人运行过程中的位姿计算。根据运载机器人的位姿信息以及其搭载护栏时的运动模型，设计了相应的运动控制算法，以使机器人在运行过程中完成自主纠偏。此外，运载机器人运行过程中的相关数据通过LoRa（long range radio，远距离无线电）组网与远程服务器交互，实现了远程监控。试验结果表明：所设计的UWB定位系统的重复定位精度为0.07 m左右，能满足室外环境下的高精度定位要求；所设计的运动控制算法能较好地实现运载机器人的运动控制，达到了预期效果。该运载机器人系统能够为可变车道的智能化控制提供参考，具有良好的工程应用前景。

为了实现在室内空旷环境中跟随机器人对移动目标物的定位和动态跟踪，设计了一种基于环形红外阵列的移动机器人自动跟随系统。利用具有主动式环形大视场的测距罗盘作为环境感知传感器。测距罗盘由数个红外测距传感器组成周向阵列，实现对360°环向10～80 cm范围内移动目标物的二维定位，使跟随机器人可以快速确定其与移动目标物之间的距离和偏航角，实现对目标物的精准定位。依据目标物的位置信息并利用PD （proportion-differentiation，比例-微分）控制器控制跟随机器人的移动，使跟随机器人保持与目标物的相对距离和相对角度，实现对移动目标物的自动跟随。在上位机操作界面可以实时显示跟随机器人的运动轨迹及其对周围未知环境的探测情况。通过实验证明了测距罗盘可以有效定位目标，满足机器人跟随移动目标物的设计要求。测距罗盘和自动跟随系统的可靠性较高，可以为机器人集群编队提供装置保障。

掘进机时走时停的迈步式工作特点导致其难以实现定向掘进，这一直是国内外面临的技术难题。为实现煤矿巷道掘进机的位姿测量，提出一种基于组合方式的掘进机导航系统（即组合导航系统）。首先，以十字激光指向仪的激光束为识别特征，结合自主研制的激光接收标靶，组建光电传感器导航系统，并构建掘进机机身位姿解算模型；然后，通过递推最小二乘（recursive least square, RLS）算法将光电传感器导航系统和光纤惯性导航系统的测量数据融合，解算出掘进机机身的位姿；最后，根据掘进机机身位姿的测量结果，通过PLC （programmable logic controller，可编程逻辑控制器）实现掘进机的纠偏控制，以有效解决其定向掘进问题。以MB670型掘锚一体机为实验对象，通过现场实验对所设计的组合导航系统进行测量误差分析。结果表明：该组合导航系统可以有效实现煤矿巷道掘进机机身的位姿测量；掘进机机身的位置测量误差在±20 mm以内，姿态角测量误差在±0.15°以内，满足煤矿巷道施工精度要求。基于组合方式的掘进机导航系统具有精度高、可靠性好的优点，弥补了单一导航系统的测量缺陷，可为掘进机的定向掘进智能控制提供理论基础。