高速凸轮机构广泛应用于车辆、纺织和印刷等机械中，对其进行动力学问题研究是提高机械性能的基础和关键。采用有限元法对凸轮机构柔性构件进行离散化处理，结合模态综合技术和Kane方程建立刚柔耦合凸轮系统动力学模型，所得动力学方程是一个更具一般性的柔性梁类动力学方程，且该方程在模态坐标下更便于计算机求解运算。通过对系统模态分析和动力学方程求解来分析其动态性能，在了解系统动态性能的同时进行模态截断研究。对截取不同阶数的动力学模型进行仿真，分析模态截取阶数对计算精度和计算速度的影响。研究结果对判断实际应用中的高速凸轮系统是否需要进行动力学分析具有重要指导意义，也为该类机构的动力学建模和模态特性研究提供依据。

工业4.0以及智能制造是工业发展的必然趋势，但它们的发展必然是要建立在单元化装备尤其是机器人和高端制造装备的高品质基础之上的。近两年，机器人高调卷土重来，市场前景巨大；高端制造装备尤其是高档数控机床在我国需求依旧迫切。但不管机器人还是高档数控机床在我国的发展仍然不容乐观，它们仍然低迷的共同特征是所必需的基础元器件和数控系统依赖舶来品，受制于人，关键功能部件例如摆角头、高性能减速器(例如RV减速器)等制造技术缺失，导轨、丝杠等部件可靠性和性能保持性不足。尤其是，由于结构原理以及实现技术的原因，摆角头和高性能减速器均是串联式高端机床和机器人的核心功能部件，极大地决定了机床和机器人的功能和性能，也是机床和机器人行业能否达到和赶超世界先进水平的重要屏障。机构学是装备结构设计的基础学科，机构创新是装备创新的根本，在我国机床与机器人需要跨越式发展的当前，机构学领域担负着重要的创新责任。结合机床与机器人的结构、功能和应用特点，分析和探讨我国机构学在现阶段面临的机遇，为我国机构学者的研究与工业界对高端装备的需求实现有效结合提供参考。

导波传播模式分析是钢轨长距离导波检测和振动噪声控制的基础。钢轨中的导波传播模式可以通过波数频率关系和对应的结构形变来有效识别。应用半解析有限元法(Semi-analytical finite element method，SAFE)，基于虚功原理构建导波在任意截面弹性波导中传播的控制方程，求解弹性波导中导波传播的频散曲线和结构形变。应用该方法求解0～8 kHz频率范围自由状态CHN60型钢轨中导波传播的波数频散关系和结构形变，并讨论8个基本传播模式的特点。采用模态力锤及多传 感器测量钢轨截面形变的模态分析试验方法得到钢轨横向和垂直振动模态导波的波数-频率系数，数值分析与试验结果相符合。

医疗机器人在过去几十年获得了飞速发展，根据医疗机器人的功能和用途将医疗机器人分为：神经外科机器人、骨科机器人、腹腔镜机器人、血管介入机器人、假肢外骨骼机器人、辅助康复机器人和胶囊机器人。分别对当前已经商用化的代表性的医疗机器人做了介绍，对其功能、主要技术指标、优缺点做出对比和描述。探讨医疗机器人当前主要的前沿研究问题，对医疗机器人关键技术和难点问题做出分析和讨论，对医疗机器人未来的发展方向和机遇做了展望。

钻杆是钻井过程中易受破坏的关键部件，在其服役过程中进行检测，对于减少钻具失效事故具有重要意义。针对钻杆在役检测的特点，提出一种新型外穿式交流电磁场检测方法，建立针对钻杆外表面轴向裂纹的外穿式交流电磁场检测有限元仿真模型，分析钻杆表面感应电磁场分布以及裂纹引起的电磁场畸变信号与裂纹尺寸关系，在此基础上提取裂纹识别特征信号，基于仿真模型分析激励线圈提离高度影响，设计开发井口钻杆外表面轴向裂纹在役检测系统，并进行试验测试，仿真和试验结果表明：外穿式交流电磁场检测探头所提取的钻杆轴向裂纹特征信号Bx和Bz分别反映裂纹深度和长度，具有定量识别能力；激励线圈提离高度可满足在役检测需要；外穿式交流电磁场检测系统利用周向阵列检测线圈可有效检测钻杆表面轴向裂纹。

某国产火焰锅炉投产运行一个月后，屏式过热器管发生爆管泄漏。通过宏观检验、化学成分分析、硬度测试、金相检验、扫描电镜及能谱分析等方法对过热器管发生爆管的原因进行了分析。结果表明：爆管为长时间超温运行所致，过热器管接头环焊缝内部的焊瘤阻碍了蒸汽流动，同时氧化皮影响了热量传递，导致管壁局部长时间过热；爆口处显微组织严重老化，且有明显蠕变损伤，降低了管材的强度，管壁承压能力下降，最终导致爆管泄漏。

为了提取机械设备被强背景噪声淹没的故障特征，采用一种具有通用意义的基于奇异值分解(Singular value decomposition, SVD)的子空间降噪算法对信号进行处理，即u-SVD降噪算法。传统的SVD降噪算法是u-SVD降噪算法中拉格朗日乘子 时的一种特殊情况。u-SVD降噪算法包含滤值因子，能够抑制以噪声贡献占主导的奇异值对降噪后信号的信息贡献量。u-SVD降噪算法涉及延迟时间、嵌入维数、降噪阶次、噪声功率和拉格朗日乘子等5个参数。讨论了u-SVD降噪算法的参数选择方法，并着重研究降噪阶次和拉格朗日乘子对降噪效果的影响。齿轮故障仿真信号和齿轮早期裂纹故障振动信号的试验结果表明，u-SVD降噪算法在降噪效果方面要优于传统的SVD降噪算法，可以在强背景噪声情况下更好地提取出齿轮的故障特征。

柔性机构自20世纪80年代提出以来迅猛发展，已成为现代机构学一个重要分支。短短不足30年间，柔性机构设计理论的构建与发展，为柔性机构成功应用奠定了坚实基础。随着对柔性及柔性机构认识不断深入，柔性机构得到了广泛应用，不断涌现新的成功实例。继5年前综述了柔性机构设计方法研究进展之后，尝试从应用的视角鸟瞰一下柔性机构的最新进展。通过将柔性机构的主体应用划分为精密工程、仿生机器人、智能材料结构三大主阵地，概述柔性机构在每个阵地中的应用进展及研究热点情况，并对其发展做了展望。对四种最具发展潜力和应用前景的新型柔性机构(胞元式柔性机构、辅助接触式柔性机构、平面折展机构、柔性静平衡机构)进行简单描述。

频谱泄漏和栅栏效应是影响衰减信号离散傅里叶变换精度的主要因素。为了提高多频衰减信号离散傅里叶变换频谱参数的校正精度，提出一种加窗两点矢量插值校正算法。对信号加M阶余弦窗并计算加窗后信号的离散傅里叶变换，利用真实频率附近的两根谱线的矢量比建立方程，通过求解方程获得频率偏移量和衰减因子，利用上述获得的两个参数计算出信号的频率、幅值和相位。余弦窗的最大旁瓣衰减特性能有效的降低频谱泄漏的影响，两点矢量频域插值可以消除栅栏效应，两者结合极大地提高了算法的参数校正精度。仿真和试验结果表明，算法具有较高的参数校正精度和稳定性，且计算效率较高，适用于实时处理及对计算资源要求苛刻的场合，为多频衰减信号的特征提取提供了一种可选的方法。

以热力学理论和有限元法为基础，建立装备-气囊系统有限元模型，并利用试验数据对模型进行验证。对比结果表明，所建模型系统的精度较高，可以用在下一步的仿真分析工作中。针对缓冲气囊的复杂非线性模型计算规模大、难以进行大规模计算的问题，以着陆初速度、初始侧倾角、初始俯仰角、横向速度和地面坡度为变量，分别以最大冲击加速度、最大侧倾角、最大俯仰角以及气囊最大内压为响应，结合扩展拉丁超立方设计，采用径向基函数构建多工况响应代理模型。考虑空投装备在着陆过程中环境因素以及空投装备着陆姿态的影响，利用蒙特卡罗法结合代理模型对多工况下的空投装备着陆成功概率进行计算。通过计算得到着陆成功概率为95.84%，冲击加速度为其主要影响因素，气囊内压为次要因素。

提出等几何分析(Isogeometric analysis, IGA)是一种新的物理场数值求解方法，它可实现CAE数值分析与CAD建模工具的集成，给出一条使设计、分析和优化紧密结合的新途径。以等几何分析方法的计算框架为基础，详细介绍等几何分析方法中样条几何模型的描述方式和建模方法；并以NURBS为例，阐述了IGA中的分析模型的参数化表示以及网格模型的细化方法；结合现有的经典有限元的分析过程，简单介绍IGA的离散方法、边界条件和积分方法；系统总结等几何分析在热、流体、接触和优化方面的应用，并给出了一个简单的二维问题的IGA求解实例。

提出一种以硅片传输机器人末端竖直方向上由手臂静变形引起的静偏移为约束、以刚性杆柔性关节系统固有频率为优化目标、以各手臂壁厚为优化参数的硅片传输机器人手臂结构优化设计方法。建立硅片传输机器人刚性杆柔性关节动力学模型，通过系统固有频率分析以及模态分析确定对轨迹精度影响较大的模态为一阶模态与二阶模态；通过分析结构参数对一阶与二阶固有频率影响的灵敏度以及权值选择小臂与末端手臂的质量作为优化参数；建立以手臂厚度为变量、以手臂结构尺寸为约束的手臂挠度模型与末端竖直方向静偏移模型，分析手臂厚度对末端竖直方向静偏移的影响规律并对末端手臂与小臂的厚度尺寸进行优化设计；对结构优化设计前后硅片传输机器人手臂的性能进行对比分析。结果表明：该方法在大幅度降低手臂质量的同时可显著提高硅片传输机器人手臂的一阶与二阶固有频率，大幅度降低了末端竖直方向上的静态偏移及内应力，大幅提高了系统竖直方向上的振动频率。

微纳米三坐标测量机(Coordinate measuring machining, CMM)是目前微纳米三维测量领域的一个研究热点，针对微纳米CMM中三维纳米测头的研究瓶颈，提出一种与现有机械接触式测头和光学非接触式测头工作原理完全不同的、可达到纳米/亚纳米量级触发分辨力的新型谐振测头。利用聚偏氟乙烯(Poly vinylidene fluoride, PVDF)薄膜的压电特性和其谐振参数对微小作用力的高敏感性，PVDF薄膜与一体式光纤微测杆测球相结合构建成了基于PVDF薄膜的三维纳米谐振触发测头。该测头在z向以轻敲模式接触，在x、y向以摩擦模式接触。经过试验验证，由该测头与三维纳米定位平台、数据处理及反馈控制系统相结合构建成的三维谐振纳米触发定位系统在x、y、z三个方向的触发分辨力都达到了亚纳米量级，分别为0.12 nm、0.10 nm、0.12 nm；三维重复性误差分别为26 nm、36 nm、10 nm。试验结果证实了新型三维谐振测头及其系统的有效性。

为了实现浅水域探测型无人水下航行器(Unmanned underwater vehicle, UUV)探测设备水下长时间工作，提出波浪能发电系统，可以将近水面的波浪能收集转化为电能。详细叙述永磁发电机的原理结构及设计参数;根据Lagrange方程建立系统的数学模型;采用Runge-Kutta方法求解简化的运动方程，研究不同海况条件下对发电性能的影响。研究结果表明提出的波浪能发电系统是合理可行的，在一般海况下，能够满足探测设备的能源需求。同时表明频率与幅度以及耦合横摇对发电性能影响比较大，而耦合垂荡对其影响基本可以忽略。研究结果将为后期波浪能发电系统的工程试验提供一定的理论依据。

为研究钛合金已加工表面相变机理及其影响因素，首先通过分析切削过程中切削刃对切削区域的作用机制，采用能量法建立结构参数、切削三要素与切削耗能的数值描述模型，结合Matlab对模型进行求解，获知进给量 f的变化对钛合金切削耗能 W的影响最大，切削速度 v _c次之，而切削深度 a _p最小；为验证描述模型的正确性，采用2种不同几何结构不同牌号的硬质合金可转位刀片对典型钛合金TC1、TC4、TA5以及合金钢30CrMnSiA在正常空冷和氩气冷环境下进行对比试验，试验结果与描述模型间的误差较小，有效证明了描述模型的正确性，同时明确了钛合金已加工表面相变形成机理，并揭示了其发展的规律性。研究可为钛合金的高品质加工提供数据支撑。

设计与创新是当前时代的主题。创新不等同于技术发明，而是通过设计将技术传递给用户的过程中创造价值，实现这种创新过程的思维方式就是设计思维。设计思维是一种有影响力、高效、可广泛采用的创新方式。设计思维可以广泛地扩展和整合到社会各领域、各层次，任何人或团体都可以利用设计思维高效地创造出新想法、实现这些想法，并使之发挥作用。目前，国内外学者对于设计思维及其相关方面已展开较为广泛的研究工作。从设计思维的内涵、设计思维的实施过程、设计思维方法和工具、以及设计思维的研究方法等方面系统地评述国内外学者对设计思维的研究现状，并给出目前研究存在的问题以及进一步研究的一些建议。

磨削加工是制造航空发动机镍基合金零件的重要方法。为进一步提高镍基合金磨削加工的材料去除效率、提升工件表面质量，国内外学者开展了诸多基础理论与工艺探索工作。在概述镍基合金材料磨削加工技术发展过程的基础上，全面总结了国内外学者在镍基合金材料磨削去除机理、磨削工艺特性、磨削加工新方法等方面的主要研究成果，并对镍基合金磨削加工技术的难点与发展趋势进行了展望。

针对非特定内外廓形的刮削加工，基于刮削加工原理与展成运动，提出一种基于离散廓形包络的切削齿刃形曲线通用计算方法，适用于任意结构前刀面，并给出切触点的求解方法与相应的空间刮削切触运动的计算仿真方法。首先剖析了刮削加工原理，从工件、刀具和运动配置参数角度构建了刮削加工的运动学模型；然后，基于曲面共轭原理分析了刮削加工的正逆问题，提出基于相对刀具运动的工件曲面与前刀面相交内包络的切削刃曲线求解方法，给出了详细的计算流程与方法以及切削刃可行性的判定规则；随后，进一步提出了基于切削刃的刮削过程切触点计算方法，并给出了时序对应的空间切触运动仿真分析方法；最后，分别以内外廓形的刮削加工为例，对所提出的切削刃计算方法和加工运动仿真方法的有效性进行了验证。

为了实现果蔬的无损采摘，采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构，基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠，抓取物体时具有形状自适应能力，手指可完全包络物体，可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动三个手指的机械手爪，通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化，确定设计尺寸制出机械手爪，设计控制电路结合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能，并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。

超声辅助磨削在硬脆材料加工领域的诸多优势已被广泛认可，研究超声辅助磨削机理对于促进超声辅助磨削工艺技术的应用有重要价值。通过单颗金刚石压头模拟砂轮磨粒，在反应烧结碳化硅（Reaction bonded silicon carbide，RB-SiC）上进行超声振动辅助的划擦试验，研究超声辅助磨削的材料去除行为。对比分析了划擦过程中不同超声振幅下的法向划擦力和切向划擦力的变化规律，通过对划痕宽度、划痕深度和划痕截面积的统计分析研究了不同振幅下划痕的三维形貌特征。在综合分析划擦力、划痕微观形貌和金刚石压头磨损的基础上，讨论了超声振动对硬脆材料加工的去除行为的影响。相比于常规的划擦试验，引入超声振动作用后，划擦力显著下降，而划擦导致的材料去除体积显著增加。超声振动划擦中金刚石压头对工件表面独特的高频冲击作用及断续的能量输入方式被认为是导致上述现象的根本原因。

纵扭超声振动加工在碳纤维复合材料等硬脆性材料上的应用越来越得到重视，针对现有纵扭超声换能器存在扭振分量较小或纵扭节面不重合等问题，设计一种新型的纵扭超声换能器。通过理论解析法设计了一种指数型变截面杆纵振超声换能器，然后在指数型变截面杆上设计螺旋槽，将一部分纵向振动转换为扭转振动；利用有限元软件分析螺旋槽结构参数对纵、扭谐振效果的影响规律，优选出最佳的螺旋槽参数；在此基础上对换能器进行模态分析和瞬态分析，结果表明换能器能够实现纵扭超声振动，且谐振频率与设计值误差较小，振幅值满足一般加工要求；最后对设计好的换能器实物进行阻抗分析和振幅测试，结果表明谐振频率与仿真值相差较小，纵振振幅9.4 μm，扭振振幅5.3 μm，能够适用于大部分的超声加工，也验证了设计方法的正确性。

介绍了类比源设计与功能类比作用原理，从两者作用原理及发明问题求解理论(Theory of inventive problem solving，TRIZ)的相关性描述得到启发，提出基于TRIZ的类比源设计求解过程模型。首先，借助于所建立的产品功能结构模型，找出用户需求与产品各功能之间的关联性。其次，将用户需求权重值赋予相关的产品各分功能，从而得到产品功能相似度矩阵，再利用Matlab工具对该矩阵进行标准化，这有利于类比源设计与待设计问题之间相关性的定量化表示。最后，构建出一种基于TRIZ及功能类比的概念设计过程模型。以紫外光油烟净化机为例，对其功能类比源设计的功能相似度进行分析，并利用有效价值分析法对所获得的功能原理解方案进行评价，验证了所构建模型的正确性。

软体机械手(下面简称软体手)是一种由柔性材料制成的新型机械装置。凭借柔性材料天然的柔顺性和适应性，软体机械手具有了高灵活性、复杂环境适应性和安全人机交互性等特点，受到国内外学者和机构的广泛研究，并表现出良好的应用前景。综述了软体机械手的应用领域、驱动方式、材料与制造、建模与控制的相关问题，并梳理了软体机械手研究中依旧存在的问题和可能的解决方案以及软体机械手的发展趋势。软体机械手是软体机器人领域的一个重要分支，其研究涉及材料学、力学、化学、机械设计与制造、电子与控制科学以及仿生学等诸多领域的交叉和融合。对软体机械手的研究将极大丰富人们对柔性材料的复杂、丰富特性的理解，也将为更好地把柔性材料融入产品的设计提供理论和技术指导。

针对现有的等温容器放气方法存在测试误差较大、重复性较差，且测量误差分析方面研究匮乏等问题，对等温容器的测量误差进行了深入分析，分别探讨了压力梯度，温度梯度、测量噪声等对等温容器放气方法的误差影响情况，该案例可以为等温容器性能提高及放气法测量气动元件流量特性方面提供一些指导。

大型液压铲是露天矿山开采和大型工程施工广泛采用的装备，但国内所用一直依赖进口，2008年太原重工开始研发国内首台机重260 t，斗容15 m³的液压铲。上车回转是液压铲最频繁的动作，每个作业循环都要进行两次加减速，如果回转系统设计不好，就会引起液压系统严重发热，影响机器作业效能。为了缩短国内首台液压铲的研发周期，在实际系统制造之前充分了解其运行特性，分析对比开式回路和闭式回路设计方案的优劣，确定液压系统元器件的规格和参数，采用机械系统动力学仿真软件ADAMS和机电系统仿真软件AMESim联合，建立所研制液压铲整机的联合仿真模型，仿真机器实际运行工况下，两种回路方案的运行和能效特性，通过分析对比，确定采用电液比例控制的双闭式回路并联驱动上车回转，使用电液比例泵直接控制回转马达，消除系统节流损失。同时，为简化回路，利用自身配置的先导泵对闭式回路进行补油。进一步研究了上车转动惯量大范围变化对回转特性的影响，确定了加减速时间与回转角度的关系，设计出完整的电液回转系统，并应用到所研发的机器中。试车试验和现场试验测试表明，所设计的电液比例双闭式回转回路能够在转动惯量大范围变化的情况下，控制上车平稳加减速，直接回收利用回转制动动能，发热小，连续长时间作业。

仿生机器人是指依据仿生学原理，模仿生物结构、运动特性等设计的性能优越的机电系统，已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等不适合由人来承担任务的环境中凸显出良好的应用前景。按照工作环境可将仿生机器人分为陆面仿生机器人、空中仿生机器人以及水下仿生机器人三类。指出仿生机器人经历了原始探索、宏观仿形与运动仿生、机电系统与生物性能部分融合三个阶段，并概述三类仿生机器人国内外研究现状。分析发现当前研究还存在着生物运动机理研究不深，结构设计、材料应用、驱动及控制方式大多较为传统、能量利用率低等问题，导致了仿生机器人从宏观到微观与生物都存在较大差异，“形似而神不似”，远未达到实际应用程度。指出了仿生机器人正向着刚柔混合结构，仿生结构、材料、驱动一体化，神经元精细控制，高效的能量转换的类生命系统方向发展。

针对传统集中质量法精度不高和大规模有限元模型计算量大、后处理困难的问题，在轴系单元法基础上提出一种针对行星轮系耦合振动分析建模方法。根据行星轮系结构特点，将行星轮系中各种构件分为简单轴系单元、行星架轴系单元及齿圈轴系单元等轴系模型，建立不同类型的行星轮系耦合动力学模型。研究结果表明，考虑结构柔性后，在低速阶段动态啮合力偏差与集中质量法求解结果基本相同，但随着转速增加，动态啮合力偏差与系统各阶共振频率均略有降低;而同一转速下，动态啮合力偏差随着齿圈厚度增大逐渐增加，但其变化量呈逐渐减小趋势。在所有结构中，轴的柔性化对振动影响最大，而行星架柔性对振动影响最小;各级齿轮副啮频相互耦合共同成为系统激励频率，而高速级啮频为最主要激励频率;振动能量不仅沿功率流方向传递，同样也会逆功率流方向传递。

对倾斜角为36°的X型缺口是否采用阻流板堵死的4种轴向搭接螺旋折流板换热器的流动和传热性能进行数值模拟研究，其中4种方案均采用三分螺旋折流板，正三角形布管且螺距近似相同，分别为无阻流板(36°MO)、最外侧一条缺口堵死(36°MOB1)、外侧缺口堵死(36°MOB2)和内外缺口全堵死(36°MOBA)。构建子午切片M1，正六边形切片H2和H3，采用速度矢量叠加速度或压力云图的方式全方位阐释壳侧流场特性。结果表明，在分别穿过X型缺口外、内三角区的正六边形切片H2和H3上所显示的相邻折流板之间的泄漏情况4种方案有明显不同；同时这4种方案的每个螺旋周期内都出现二次流，其中36°MOB2方案二次流强度最大；虽然阻流板阻挡面积越多的方案其传热系数越高，但流动阻力也越大，从壳侧综合性能ho/Δpo来说，36°MOB1方案和36°MOB2方案分列前两名，而36°MO方案最低；与36°MO方案相比，36°MOB1、36°MOB2和36°MOBA方案的壳侧传热系数ho和壳侧综合性能ho/Δpo的平均值分别高36.76%、38.59%、41.13%和19.88%、10.14%、9.30%。由于36°MOB1方案的综合性能指标较高且阻流板在管束最外侧，制造工艺可行，所以其应用价值较好。

双爪式攀爬机器人已成为一类重要的和主流的攀爬机器人，这类机器人中两端手爪对攀爬对象抓夹的安全性和可靠性是攀爬的前提条件和基本要求，也是一个关键问题。基于此，在介绍自行开发的双爪式爬杆机器人Climbot之后提出这类机器人抓夹圆杆时的夹持力封闭性问题，对封闭性进行论证。分别分析机器人进行平面攀爬和空间攀爬时对支撑端夹持器产生的负载形式，建立其力平衡模型。基于该模型，计算夹持器的各种尺寸参数对夹持性能的影响，并对计算结果进行系统的分析。通过几组攀爬夹持试验对提出的夹持模型进行验证。结果对夹持器的设计和攀爬安全性的保证具有重要的参考和指导意义。

软体机器人由软材料加工而成，自身可连续变形，与刚性机器人相比具有更高的柔顺性、安全性和适应性，在人机交互、复杂易碎品抓持和狭小空间作业等方面具有不可比拟的优势。综述软体机器人的发展历程，将软体机器人归为传统绳索驱动/气动肌肉机器人、超弹性材料软体机器人和智能材料软体机器人三大类。从仿生结构和仿生运动、驱动与加工、传感与控制三个方面对软体机器人的相关科学问题以及存在的技术难点进行总结与分析。分析了软体机器人在仿生结构、抓持作业和医疗康复等领域潜在的应用价值。对软体机器人目前的发展现状和存在的关键科学难点进行了系统的总结，并得出刚柔耦合、可变刚度和驱动传感控制一体化等研究方向可能是未来软体机器人研究新的突破点。

中高比转速水泵水轮机泵工况下近设计点驼峰严重制约了其稳定运行范围，是制约抽水蓄能电站安全与经济运行的关键问题之一。作为流动问题的宏观表现，驼峰现象必然与水泵水轮机内部的非定常流动存在密切关系。为此，基于试验和数值模拟，对水泵水轮机泵工况下可调导叶流道内的非定常流动进行研究，探究模型机泵工况下的压力脉动特性、非定流动机理及与性能曲线稳定性之间的关系。结果表明：在设计和小于设计工况下，可调导叶流道内均存在两种显著的周期性压力脉动。模型机泵工况下的流量扬程曲线在0.45~0.75倍设计流量区间内出现驼峰，频域分析清晰地揭示了以上两种压力脉动是对该驼峰存在重要影响的流动参量。

五轴数控机床空间定位精度受机床静、动态误差的综合作用，是影响工件加工质量的重要指标。综述了基于不同误差源数值特征描述的几种主流误差建模方法，分析与建模方法对应的几种误差灵敏度分析方法的特点。根据五轴数控机床的构成，分别对平动轴和转动轴的误差检测和误差辨识方法进行了综述和分析。根据动、静态误差类型的不同，总结了现有几种主要误差补偿方法的特点。最终，综合误差建模、误差灵敏度分析、误差检测和辨识以及误差补偿五个方面，系统性地分析了现有五轴数控机床空间定位精度改善方法中尚需解决的问题，探讨了五轴数控机床空间定位精度改善方法未来的发展方向。

提出为实现小型四旋翼无人机自主飞行控制，设计一种基于视觉的飞行控制方法，并搭建嵌入式控制架构飞行试验平台。在控制过程中，光流信息与姿态角信息进行融合用于估计无人机水平位置信息，利用获取到的水平位置信息作为内外环结构的比例微分积分(Proportion integration differentiation, PID)控制器外环反馈信息。不同于传统的基于地面站的控制架构试验平台，该飞行系统中采用了一个嵌入式控制架构的试验平台。该平台依靠机载嵌入计算机进行光流计算、运动状态估计，并采用机载飞行控制器执行控制算法。这种嵌入式控制架构工程实现难度高，但更利于实现四旋翼无人机的全自主飞行控制。试验结果表明，提出的设计方法取得了较好全自主飞行控制效果。

混流泵起动过程中的振动失稳严重威胁着泵机组的安全，研究起动过程中的轴心轨迹，可以全面、直观地反映瞬态效应对机组运行稳定性的影响，掌握非调节工况下转子的振动状态。基于本特利408数据采集系统，测量获得了起动加速过程中不同转速下转子的轴心轨迹图和时域图，分解提纯一倍频和二倍频轴心轨迹图及其时域图，解析起动过程不同转速下的频谱图。研究结果表明，加速过程中，一倍频轴心轨迹由长短轴相差不大的椭圆逐渐变为圆形，可以判断转子存在弓状回转涡动且涡动不断加剧;二倍频轴心轨迹由近似水平线段逐渐变化为水平方向扁平的椭圆，可以判断转子存在不对中现象且水平方向的振动不断加剧。结合瞬态外特性曲线，研究发现随着转速的逐渐增大，转子系统的瞬时水力冲击逐渐增大，转子不平衡量和径向偏移量逐渐增大，振动情况逐渐加重，当转速达到最大值时，轴系振动出现一个峰值并随转速稳定有所降低并逐渐趋于稳定。加速是引起轴系振动的主要原因，瞬态效应是影响振动故障恶化的重要因素。研究成果对于实时评估混流泵起动过程中的轴系运行状态、有效降低或防止振动故障的恶化具有重要的工程应用价值和理论指导作用。

机械故障是风力发电设备、航空发动机、高档数控机床等大型机械装备安全可靠运行的“潜在杀手”。故障诊断是保障机械装备安全运行的“杀手锏”。由于诊断的装备量大面广、每台装备测点多、数据采样频率高、装备服役历时长，所以获取了海量的诊断数据，推动故障诊断领域进入了“大数据”时代。而机械智能故障诊断有望成为大数据下诊断机械装备故障的“一把利器”。与此同时，大数据给机械智能故障诊断的深入研究和应用提供了新的机遇：“数据为王”的学术思想有望成为主流、诊断整机或系统级对象成为可能、全面解析故障演化过程成为趋势等；但也遇到了新的挑战：数据大而不全呈“碎片化”、故障特征提取受制于人为经验、浅层诊断模型诊断精度低等。阐述了机械智能故障诊断大数据的特点；从信号获取、特征提取、故障识别与预测三个环节，综述了机械智能故障诊断的国内外研究进展和发展动态；指出了机械智能故障诊断理论与方法在大数据背景下的挑战；最后讨论了应对这些挑战的解决途径与发展趋势。

设计了一种气压驱动多气囊软体机器人，其由上方多个相互连通的气囊和位于下方的双层底座及前、后摩擦片组成。气囊充气膨胀，驱使软体机器人产生弯曲，通过设置不同的前、后摩擦片，利用前后摩擦力大小不同，分析了机器人周期性运动过程。采用Yeoh模型，研究了机器人运动过程中的非线性力学特性，得出软体机器人内部充气压强与前进距离之间的非线性关系模型。设计充、放气时间，验证了软体机器人的周期性运动过程。

在五轴加工编程中,计算机辅助制造系统对曲面加工通常采用以折代曲,采用大量的微小G01直线段来加工曲面,在曲率半径较大的工件表面会出现明显折痕,严重影响工件表面的加工质量。为提高五轴数控加工工件的表面质量,提出一种五轴微段平滑插补算法。该算法考虑五轴加工中刀位数据的量纲差异,根据相邻数据点间的线性轴长度、线性轴的夹角和旋转轴角度变化量识别五轴数控加工程序中非连续微段和连续微段加工区域。对非连续微段加工区域按照原始直线段和旋转轴直接插补,从而保证加工精度。对连续微段加工区域,先通过五维变量获取节点参数,采用最小二乘法对指令点在允许的精度范围内进行修正;对修正后的指令点采用4点构造法计算二阶切矢,根据连续微段的指令点修正值,节点参数值和对应的二阶切矢值获取二阶连续的三次样条曲线;在二阶连续平滑的曲线上进行实时插补计算,控制机床进行五轴加工。试验结果表明：通过提出的五轴微段平滑压缩算法拟合后的路径要更加接近原始的曲面模型,平滑处理过的实际工件加工表面也要优于未进行处理的工件加工表面,提高了五轴自由曲面的表面质量。

工业机器人因其良好的重复定位精度而被广泛应用于堆垛、搬运、焊接等工业领域，但其绝对定位精度低，限制了其在高精度制造领域的应用。通过构建工业机器人误差测量与在线补偿闭环控制系统，对工业机器人的误差进行在线补偿。该方法综合考虑了几何参数和非几何参数引起的误差，提高了其位姿精度。研究基于KUKA机器人传感器接口(Robot sensor interface， RSI)进行位姿误差补偿的性能。通过研究KUKA机器人末端姿态的表示方式，提出一种基于激光跟踪仪测量工业机器人末端姿态的方法，并设计试验研究机器人在其工作空间的位姿误差特点。对搭建的闭环控制系统进行位姿误差补偿试验验证了该系统的位姿补偿效果。试验结果表明，经过第二次在线误差补偿后，其绝对定位精度由原先的0.628 mm提升到0.087 mm，姿态精度接近0.01°。