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。

载荷是滚动轴承运转过程中不可忽视的因素，不同特征的载荷会对轴承的可靠性产生差异影响。针对滚动轴承实际当量动载荷具有随机时变的特点，提出了一种考虑动态时变载荷的滚动轴承可靠性寿命评估方法，以解决传统方法忽略轴承载荷时变性导致的评估精度较低的问题。利用灰色预测模型，构建了轴承当量动载荷随机时变过程的分析模型，对小样本载荷数据进行预测补充；在此基础之上，提出了基于动态应力—强度干涉模型的轴承可靠性寿命评估方法，得到了动载荷的工作区间，从而获得轴承可靠性寿命区间；进行了圆柱滚子轴承NU206E的可靠性寿命测试，对该方法进行验证。结果表明：与传统方法相比，采用所提出的方法得到的轴承寿命评估值与测试值较接近，精度较高，评估时间较短，且能获得覆盖大部分测试值的寿命区间。结合灰色预测模型和动态应力—强度干涉模型的滚动轴承可靠性寿命评估方法具有良好的工程应用价值，为变载工况下的滚动轴承可靠性评估提供了新的思路。

为提升高速耐雨蚀测试装置运行的稳定性与安全性，以其转子-雨蚀叶片系统为研究对象，开展雨蚀叶片的横向振动特性分析。首先，综合考虑雨蚀叶片振动、旋叶连接盘质量偏心及转子不平衡磁拉力的影响，建立转子-雨蚀叶片系统的四自由度横向振动模型。然后，基于Lagrange方程建立转子-雨蚀叶片系统的运动微分方程，并利用Runge-Kutta算法对方程进行数值求解，以观察转子及雨蚀叶片的轴心轨迹与振幅的分布规律。考虑到转子与雨蚀叶片的非线性强耦合关系，采用自抗扰解耦控制方法来抑制雨蚀叶片的横向振动，其中扩张状态观测器的参数采用极点配置和带宽进行调节。最后，通过搭建实验平台来分析采用自抗扰解耦控制前后雨蚀叶片的振动特性，并与数值分析结果进行对比。结果表明，在采用自抗扰解耦控制前转子-雨蚀叶片系统存在振动超标现象，而采用自抗扰解耦控制后雨蚀叶片的横向振动得到了有效抑制，验证了该控制方法的可行性和有效性。研究结果可为后续高速耐雨蚀测试装置的结构优化提供理论参考。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

针对磁齿轮复合电机双转子结构在无接触传动时出现振荡和超调的问题，提出了一种基于改进蜻蜓算法（improved dragonfly algorithm，IDA）的双闭环PI（proportional integral，比例积分）参数自整定矢量控制方法。针对DA在收敛速度和收敛精度等方面存在的不足，分别在算法寻优的前期、中期和后期引入Tent映射、改进权重系数和差分优化算法，并在其适应度函数上增加可抑制振荡和超调的惩罚项，使算法的收敛速度和收敛精度得到明显提高。采用PI、DA-PI和IDA-PI三种控制方法对磁齿轮复合电机进行控制仿真和实验，结果表明，在IDA-PI控制下电机转速的超调量和稳态误差最小，动态响应速度最快，证明了所提策略的有效性。研究结果为不同拓扑结构磁齿轮复合电机的控制提供了参考。

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。

研究飞行器在运行过程中的地面效应对其研制具有重要意义。目前国内广泛采用固定地板模拟技术，而黏性附面层的存在导致风洞模拟试验与真实情况严重不符。为此，研制了一种4.0 m×3.4 m的大幅面高速移动带地板模拟装置。采用单电机驱动的主从动辊带动移动带，使其上表面的线速度与风洞来流速度一致，从而消除附面层，准确模拟地面效应。提出了大长径比主从动辊分段加工方法，并采用过盈装配连接方式实现外筒与芯轴的连接，避免了常规焊接手段引起的热变形，显著减小了移动带在高速运行下的不平衡量；设计了快速伺服纠偏系统，使移动带偏移量保持在5 mm以内，并结合分布式控制系统，实现了移动带地板装置各系统的稳定运行；在地面测试中，移动带线速度可稳定在54 m/s左右，速度误差为0.25%左右，且移动带整体振动量抑制在0.1 mm左右。所研制的移动带地板装置成为国内最大的地面效应模拟装备之一，在风洞地面效应模拟与测试中具有广阔的应用前景。

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。

为提高热电池保温棉缠绕工艺的效率与质量，基于数字孪生技术开发了一种保温棉自动缠绕系统。首先，利用NX MCD软件创建保温棉自动缠绕装置的数字孪生映射结构模型，并通过TIA Portal软件实现了模型与实际物理装置以及控制设备之间的信息交互和状态检测，以更准确地反映缠绕动作及状态。然后，建立保温棉自动缠绕过程的力学模型，以深入分析缠绕机理。接着，通过有限元动力学仿真研究了缠绕张力和电堆转速对保温棉缠绕效果的影响，并将仿真结果导入数字孪生系统，以优化数字孪生结构层和控制层程序。最后，通过联合调试成功实现了保温棉缠绕自动化并生产出包覆效果良好的热电池电堆。所采用的研究方法有效地提高了研发效率、加速了设计过程以及降低了试错成本，可为缠绕包装自动化装配研究提供参考。