永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor，PMSM）具有结构简单、运行稳定、效率高和外形多样等显著优点，广泛应用于不同领域。在永磁同步电机使用过程中，不可避免地会出现各种故障，例如退磁故障、电路故障、转子偏心故障和轴承故障等。基于永磁同步电机的结构和工作原理，对其各类故障的产生原因和诊断方法进行总结，并分析了模型构建和信号处理在故障诊断中的优势。研究结果为永磁同步电机故障诊断提供了一定的理论依据。

针对现有图纸文本信息自动提取方法仅能提取单张图纸中的标题栏和明细表内容的情况，提出了一种面向多张CAD（computer aided design，计算机辅助设计）图纸的文本信息自动提取方法，并开发了相应的自动提取与校核系统。采用块表记录迭代器对多张CAD图纸中的所有属性块进行遍历，基于块名筛选得到图纸块及其插入点坐标和幅面，从而确定每张图纸的位置；根据多段线和属性块对多张CAD图纸的文本信息进行属性分类，通过构建窗口选择集来获取图纸中的文本信息并进行提取；利用数组形式输出所提取的文本信息并与原文件进行对比。最后，开发了一套面向多张CAD图纸的文本信息自动提取与校核系统，并通过对连接器电路图文本信息的提取和校核验证了所提出方法和系统的可行性。结果表明，所提出的方法为CAD图纸文本信息的提取提供了新的思路，所开发的系统为企业操作人员提取CAD图纸文本信息提供了新工具，可显著提高工作效率。

针对角度尺寸公差不能控制平面与平面之间的角度，而采用几何公差控制可能会导致角度偏差失去控制等问题，引入了被测要素附加贴切要素符号，实现用几何公差精准控制被测平面与基准面之间角度偏差，并给出了几何公差与角度公差的换算方法；针对装配层平面与平面之间角度偏差控制及累积计算问题，研究了多个零件装配后的角度尺寸链画法和角度尺寸链偏差累积计算方法；最后，以某型号电动木材切割机为例实现了用几何公差控制角度累积偏差以及各个零件上相关特征的几何公差与角度公差的转换，并分析计算了角度累积偏差。研究结果可为平面与平面之间的角度公差的分析控制及图样标注提供借鉴和参考。

针对动态建模误差和不确定性扰动对机械臂末端高精度轨迹跟踪控制的不利影响，提出了一种新型的基于自适应神经网络的机械臂滑模控制策略。该控制策略可分为三部分：自适应神经网络补偿项、切换控制项和等效控制项。自适应神经网络的引入，避免了建模误差和外界未知扰动对机械臂系统的影响，提高了轨迹跟踪精度；切换控制项可使机械臂系统性能在迅速趋近滑模面的同时以很小的速率趋近平衡点，既能保证系统稳定，又能避免系统过于抖振；等效控制项用于对机械臂动力学模型的重力项和哥氏力项进行补偿，实现对模型的线性化处理，保证了系统的控制精度。最后，通过构造Lyapunov函数验证了所设计控制系统的稳定性，并在MATLAB/Simulink环境下和机器人系统工具箱中开展仿真实验和对比实验。结果表明，所提出的控制算法能够在保持机械臂稳定性的同时实现高精度的轨迹跟踪，验证了该控制算法的有效性和优越性。自适应神经网络滑模控制算法可为提高机械臂末端轨迹跟踪精度提供一种解决方案。

目前，我国石油化工储罐的除锈、喷漆和检测等维护作业通常采用人工方式完成，工作效率低且具有危险性。爬壁机器人能够代替人工完成上述维护工作，但其常采用的接触式永磁吸附方式会影响其越障作业。为此，针对具有越障能力的轮腿式爬壁机器人，提出一种提高其永磁吸附装置吸附能力的设计与优化方法。首先，基于轮腿式爬壁机器人的越障原理以及永磁吸附原理，提出了4种非接触式永磁吸附装置设计方案，并利用Ansoft Maxwell软件对永磁吸附装置进行了二维静态磁场仿真分析，获得了其最优结构。然后，通过受力分析确定了影响永磁吸附装置磁吸附力的结构参数。最后，基于控制变量法原理，通过仿真分析了永磁吸附装置和钢制壁面的结构参数对磁吸附力的影响，并确定了各结构参数的最优值。结果表明：当钢制壁面半径为5～7 m时，相邻永磁吸附单元间隙及永磁吸附单元数量对磁吸附力的影响较大；当相邻永磁吸附单元间隙为2～4 mm及永磁吸附单元数量为3～5个时，磁吸附力利用率较高。一定条件下的实验验证了优化结果的准确性，优化后永磁吸附装置磁吸附力的实测值比仿真值平均约高16.45%，其可有效保证轮腿式爬壁机器人在石油化工储罐等的钢制壁面上稳定运动。研究结果可为磁吸附装置的结构设计与优化提供参考。

针对恶劣工况环境下复杂矿用设备状态监测与预测性维护困难等问题，结合状态监测、故障预警和预测维护等多种综合建模与分析预测技术，提出了一种基于数字孪生的预测性维护系统。首先，介绍了复杂矿用设备数字孪生体的设计流程与构建原理，并在搭建数字孪生体的过程中实现了预测性维护系统的功能；然后，研究了基于LabVIEW、MySQL和Unity 3D的状态数据获取方法，利用Unity 3D开发引擎搭建了三维可视化复杂矿用设备状态监测平台，并通过虚拟空间可视化展示设备当前状态；最后，分析了优化BP（back propagation，反向传播）神经网络在复杂矿用设备故障预警中的适用性，同时利用MATLAB软件建立了复杂矿用设备关键零部件的预测性维护模型，并将预警结果通过MySQL数据库传输至Unity 3D开发引擎，以驱动和部署预设维护流程，实现设备状态实时监测下的关键零部件故障预警。根据采煤机液压系统的实际维修流程，制定了混合现实（mixed reality, MR）预测性维护策略，并以采煤机摇臂部液压柱塞泵为实验对象开展有效性验证。结果表明，所构建的预测性维护系统的故障预测准确率高于90%，且故障预警结果可驱动HoloLens眼镜实现虚拟指导的维修交互，验证了该系统预测性维护功能的有效性。研究结果可为复杂矿用设备的预测性维护提供新思路。

下肢外骨骼助力机器人存在人-机关节是否匹配、主动关节设计是否满足人体关节运动的驱动力要求等问题。为解决上述问题，基于所设计的电液伺服驱动下肢外骨骼助力机器人，将其简化为七连杆结构，并结合步态平衡理论，采用牛顿-欧拉法构建了其摆动相与支撑相瞬时动力学模型。然后，将不同步态相位下人体运动时的角度数据、速度数据及机器人结构参数代入牛顿-欧拉动力学迭代方程，求得机器人各关节的理论驱动力矩。最后，开展ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）仿真实验和人机协同助行实验，通过对机器人各关节的驱动力矩峰值进行比较，验证了所构建动力学迭代方程的正确性和有效性。结果表明，通过采用牛顿-欧拉法来求解下肢外骨骼助力机器人关节的驱动力矩，可为其结构优化与控制策略制定提供重要的理论支撑。

为了缩短机器人全向移动导航系统的开发周期，提高代码复用率和移植性，选用具有良好开源性并采用分布式架构的机器人操作系统（robot operating system，ROS）作为研发平台；鉴于传统总线协议不统一、实时性差及应用较为复杂，提出采用Linux下的IgH主站实现控制器和驱动器之间的EtherCAT（ether control for automation technology，用于控制自动化技术的以太网）通信。首先，选取合适的任务周期并将IgH主站与ROS平台进行融合；然后，对全向移动平台进行运动学建模，建立了URDF（unified robot description format，统一的机器人描述格式）模型和里程计模型，并结合ROS提供的Navigation功能包集，设计了开放性好、代码复用率高且性能稳定的全向移动导航系统。研究表明，该系统结构简单、同步性好、成本低且能有效实现自主精准导航功能。研究结果为实现全向移动机器人的精准控制提供了新方法。

针对数学非线性回归问题，需不断改进设计模型和设计参数，从而使得设计效果达到最佳。求解约束条件下体积最小问题时经常用响应面法进行优化，即利用函数关系拟合仿真模型，采用筛选试验来确定优化方向。为了优化经典10杆桁架结构的形状，基于响应面法，编写并运行APDL（ANSYS parametric design language，参数化设计语言）程序，得到各桁架的初始应力和体积。以节点纵坐标值的改变来反映形状的变化，各因子设置三水平并编码为-1，0，1，通过响应面法（response surface method，RSM）进行寻优并调整中心点和水平。基于调整后的水平，先找到最佳邻域，再用优化软件在最佳邻域内求解桁架在许应力下体积的最优解，最后将确定好的节点纵坐标值回代到APDL程序中验证是否满足约束条件，若满足，则此时的体积为最优解。结果表明：利用响应面法优化桁架杆的迭代次数仅为3次，它能快速定位最优解，降低了前期设计成本。通过对比文献[9]可知响应面法对结构的形状优化更为有效，能快速定位出设计试验方案，在工程应用中对于寻找在约束条件下的最佳配比设计有着高效性。

人体上肢生物力学分析对上肢动作优化和相关产品的设计具有重要意义。首先，采用实时光学动作捕捉系统采集人体在执行指定动作过程中关键点的实时位置，并使用MATLAB软件设计编写了计算方程，重点对人体上肢的实验数据进行深入分析。然后，将人体肢体简化为球棍模型，运用余弦定理反求人体上肢运动过程中各关节角度的变化值，使用逆向动力学方法求解出人体上肢关节力矩的动态变化值以及通过优化计算得到人体上肢主要肌力的变化量。最后，通过计算人体上肢肌肉的实时负荷率来评价人体上肢运动舒适性，并建立了人体上肢运动舒适指数评价模型。结果表明人体在坐姿下执行指定动作时上肢肌肉处于舒适状态。研究结果为人体上肢动作的深度分析提供了理论基础。

六维力传感器作为重要的空间力感知元件，被广泛应用于机器人的力/位置控制、抓取装配、轮廓检测、自主避障和人机交互等。目前，提高精度是六维力传感器的主要研究方向之一。但由于受到自身结构和加工误差等因素的影响，六维力传感器会产生维间耦合现象，而维间耦合是影响其精度的重要因素。为减少耦合误差的影响，采用误差分析、理论推导及实验验证相结合的方法对六维力传感器的解耦算法进行研究。首先，对六维力传感器进行了耦合分析，得到其耦合模型。然后，对六维力传感器的线性解耦算法进行研究，并在此基础上提出了基于多项式拟合的解耦算法，以在不改变六维力传感器结构的前提下减小耦合误差，从而提高其精度。最后，选用正交并联六维力传感器开展标定实验，并分别采用2种算法进行解耦求解。结果表明，基于多项式拟合的解耦算法能减小维间耦合对六维力传感器精度的影响；所提出的解耦算法有效地提高了六维力传感器的精度，与线性解耦算法相比，最大耦合误差减小了8.914个百分点且线性度误差减小了0.111个百分点。研究结果可为六维力传感器维间耦合误差的减小和精度的提高提供参考。

为了提高全地形移动机器人车身结构的力学性能，提出了一种结合多体动力学、有限元分析与正交试验的优化方法。针对全地形移动机器人的满载弯曲和扭转工况，利用多体动力学分析获得了该移动机器人车身在运动中所受的外部载荷，并结合有限元分析获得了车身结构的动态力学性能参数，以验证极限工况下车身结构的力学性能。基于四因素三水平正交试验，研究了底板厚度、悬架支座厚度、悬架支座加强筋长度和增高支柱加强筋厚度对全地形移动机器人车身最大应力、最大变形量和质量的影响。利用灰色关联分析法对正交试验结果进行分析。通过对比各因素的灰色关联度获得了全地形移动机器人车身结构的最佳优化方案：底板厚度为5 mm、悬架支座厚度为2 mm、悬架支座加强筋长度为65 mm和增高支柱增设2 mm厚加强筋。分析结果表明，相较于原始方案，优化后全地形移动机器人车身在质量减小6.93%的同时，最大应力减小了12.47%，最大变形量减小了41.69%，说明该优化方案可在提高车身结构性能的同时减小车身质量和降低整车功耗，验证了所提出的优化方法的有效性。研究结果可为机械结构的动态力学性能分析与优化提供参考。

为研究电磁微锻机构在工作过程中的温度分布情况以及提高其功率密度，首先，在现有电磁微锻机构的基础上，从能量角度对其热效应与输出功率的关系进行分析，明确了热效应会限制机构的最大输出功率。然后，利用COMSOL Multiphysics软件分别对风冷和水冷方式下电磁微锻机构的温度场进行CFD（computational fluid dynamics，计算流体力学）仿真分析，确定了不同入口边界条件下的等效对流换热系数；同时，根据等效对流换热系数与入口边界条件的关系，建立了该机构的瞬态温度分析模型。最后，搭建了电磁微锻机构温度测量实验平台，并对该机构的温升特性和稳态温度特性进行了实验研究。实验结果表明，所提出的电磁微锻机构热效应仿真分析方法较为合理、准确，可为微锻机构的温度控制和结构优化提供参考。

针对复杂地形环境下搜救机器人越障性能的要求，设计了一种轮式搜救机器人的被动地形自适应机构，并对其越障性能进行了分析。首先，在分析传统越障机构的基础上，开展了地形自适应机构的选型，并结合遗传算法对其进行优化，完成了对轮式搜救机器人被动地形自适应机构的设计。然后，基于达朗贝尔原理建立了轮式搜救机器人的动力学模型，并对其越障能力进行了分析与计算。最后，建立轮式搜救机器人的多刚体动力学模型，开展了越障性能仿真，并与理论计算结果进行了对比。对比结果验证了轮式搜救机器人的越障及地形自适应能力。研究结果可为轮式搜救机器人样机的搭建及后续研究的开展提供理论依据。

运用联合仿真的方法能够实时分析柱塞泵的运动学、动力学性能以及液压系统特性，其可广泛应用于柱塞泵产品的设计与优化。针对传统优化过程中分析与优化的离散化、效率低等不足，提出了一种基于功能模型接口（functional mock-up interface，FMI）的轴向柱塞泵分布式联合仿真方法，通过开发自动优化组件，实现对阻尼槽结构参数的迭代优化。首先，进行柱塞泵轴系运动学、动力学分析，建立其运动模型和受力模型，来确定轴系组件的约束关系；其次，搭建了柱塞泵联合仿真模型，研究了柱塞的运动、受力和变形特性；然后，基于云端服务器搭建了柱塞泵分布式联合仿真模型，通过FMI技术实现了各个仿真软件的同步调用；最后，基于云平台架构，开发了柱塞泵阻尼槽优化设计模板，实现了对阻尼槽最优结构参数的求解及其模型自动创建。仿真结果表明，阻尼槽结构优化后，柱塞泵出口流量脉动率降低了35.78%。所提出的方法能有效提高仿真与优化的效率，减轻研发人员的工作负担。

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。

架空输电线路在特定的风载荷作用下，其不同构件、部位的受力情况大不相同，严重时会导致输电塔线体系发生失稳乃至绝缘子串断裂，极大地影响电网运行安全。为此，以云南某山区的架空线路为研究对象，利用ANSYS有限元仿真软件，对复合绝缘子芯棒进行各向同性、各向异性特征值屈曲分析。构建了新型四联V形绝缘子串，引入系数P_h/G_v（水平载荷/垂直载荷），对比分析双联和四联V形绝缘子串在不同风载荷作用下的力学特性，对其迎风侧和背风侧的变形、最大应力及最低点水平位移进行研究。结果表明：当P_h/G_v=2.34时，V形绝缘子串背风侧的最大应力最小；随着P_h/G_v的增大，相对于双联V形绝缘子串，四联V形绝缘子串的应力变化曲线更加平缓，其最低点水平位移更小；V形绝缘子串与竖直平面的夹角为10°～30°时，角度越小，其整体性能越稳定。研究结果为V形绝缘子串的设计改进提供了有力的依据，具有较强的工程参考价值。

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。

在导弹飞行过程中由于工况环境剧烈变化，其整流罩蒙皮温度和热载荷急剧变化，这将对导弹的作战性能产生重大影响。为保证弹载电子设备的设计满足精度要求，提出了一种基于流固耦合非定常数值模拟的设计计算方法。针对弹载电子设备在高速运行过程中的瞬态热载荷是一个典型流固耦合问题，通过求解流体与固体表面的热传递方程，计算获得流场内各点的能量分段函数。运用MATLAB软件计算拟合出流场每块结构微元对应的瞬态功率曲线分段函数，采用将功率曲线分段函数加载至Fluent的热仿真分析方法，直观预测整个弹载电子设备的工作温度及其环境温度的瞬态变化。通过对某型号反辐射导引头及其弹载电子设备气动加热问题进行具体计算分析，获得了该型号装备在各个时刻流场内导引头及其弹载电子设备的瞬态温度空间分布，所得结果与实际有较好的吻合度。结果表明该方法对同类电子设备的瞬态热分析和相应散热设计具有一定参考作用。

圆度误差是评价机床加工精度的重要指标。为实现机床圆度误差测量不确定度的评定，对基于球杆仪测量的机床圆度误差的贡献因素及不确定度评定方法进行研究。首先，采用最小二乘法（least sqaure method，LSM）对圆度误差进行评定。然后，基于黑箱理论提出了多源融合误差测量不确定度评定方法。接着，根据球杆仪测量机床圆度误差的基本原理，建立了机床圆度误差测量不确定度评定模型。最后，利用球杆仪对某加工中心ZX平面的圆度误差进行多组重复测量实验，采用所提出的方法对圆度误差测量不确定度进行计算，并与基于蒙特卡罗法（Monte Carlo method，MCM）的计算结果进行对比验证。结果表明，基于所提出方法和MCM的机床圆度误差测量不确定度的评定结果分别为1.1900和1.1600 μm，两者的相对偏差约为2.5%，由此验证了所提出方法的可行性。所提出方法规避了繁杂的输入量与输出量之间函数关系的求解过程，简化了机床圆度误差测量不确定度的评定过程，具有较强的实用性。

为提高太阳能的利用率，根据最大功率跟踪原理，设计了一种基于光强感知的太阳能智慧跟踪系统。首先，从太阳能智慧跟踪系统的工作原理出发，对其结构进行总体设计；然后，基于太阳能智慧跟踪系统各模块的性能需求，开展硬件设备选型和软件设计；最后，搭建相应的实验平台对太阳能智慧跟踪系统进行组装和调试，并通过功能测试验证了其性能。结果表明，所设计的太阳能智慧跟踪系统可以实现太阳能板对太阳光的智慧追踪，且能完成远程控制；另外，该系统结构简单，成本较低，既能节约能源，又能提供良好的供电水平，满足了高科技产品的需求，符合现代能源利用发展趋势。

针对现有湿垃圾就近处理装置存在成本高、占地面积大以及垃圾处理后仍达不到排放标准等问题，研制了一款新型机械压缩式湿垃圾处理装置。首先，介绍了机械压缩式湿垃圾处理装置的功能和技术特点。然后，对机械压缩式湿垃圾处理装置进行模块化设计，主要包括提升装置、传送带分拣装置、破碎脱水装置、污水处理装置以及压块装置等。最后，对机械压缩式湿垃圾处理装置的技术参数进行设计计算，并对其自动控制方案进行设计。所设计的机械压缩式湿垃圾处理装置将传统的垃圾破碎机与压榨脱水机进行一体化设计，实现了湿垃圾的高效脱水；通过压块装置的处理，实现了垃圾碎渣的压缩，可有效缓解垃圾运输中的运力紧张、二次污染等问题；经污水处理装置的处理，实现了污水的循环再利用。机械压缩式湿垃圾处理装置具有成本低、体积小、处理流程简洁和耗费人力资源少等优势，适用于已实施垃圾分类收集的中小型垃圾收集站，在湿垃圾处理行业中具备广阔的市场前景。

螺杆马达是螺杆钻具的动力总成，其截面线型直接影响自身的各项工作性能。良好的工作性能是螺杆马达的设计目标。为获得工作性能良好的螺杆马达，首先，根据螺杆马达的工作原理和结构特点，提出了其效率、密封腔可靠性和稳定性的评价准则。然后，通过建立螺杆马达流固耦合三维有限元模型，基于显式非线性瞬态动力学方法分析了短幅内摆线螺杆马达密封腔接触带的接触力在不同负载工况下的变化情况。最后，基于螺杆马达效率的评价准则，针对影响短幅内摆线螺杆马达效率的关键因素，设计了一种类圆弧线型螺杆马达，并通过数值模拟和实验证明了该螺杆马达具有较好的工作性能。结果表明：在相同的负载工况下，相较于短幅内摆线螺杆马达，类圆弧线型螺杆马达密封腔的稳定性和可靠性更好，且在较高负载工况下具有更好的工作性能。研究结果为后续高性能螺杆马达的线型设计奠定了基础。

为解决自建激光并行加工实验平台因设备安装位置隐蔽、难以加装辅助装置等而造成实验操作不便、设备运行状态监测困难和交互性差的问题,以实验平台中单个光学位移台为例,利用Unity引擎设计了一种基于数字孪生技术的交互控制系统。该交互控制系统采用MQTT(message queuing telemetry transport,消息队列遥测传输)通信协议,利用服务器中转数据的方式完成跨软件间的信息交互。光学位移台的Kinesis控制软件和Unity引擎中的虚拟控制面板作为MQTT通信中的客户端,共同承担订阅者和发布者的角色。光学位移台的数字孪生模型根据数据信息对物理实体的运动状态进行实时映射,用户通过Kinesis控制软件或虚拟控制面板完成对物理实体和数字孪生模型的同步交互控制。采取引用.dll文件对Kinesis控制软件进行二次开发,调用Kinesis控制软件运动控制类的方法完成对光学位移台的运动控制,并将运动数据变量设置为高精度的float型和decimal型,确保数据精度不丢失。选取10组实际加工数据对交互控制系统运行的延时性、同步性进行测试。结果显示,Kinesis控制软件端数据发布耗时和Unity引擎端数据订阅耗时分别控制在20 ms和10 ms内。所设计的系统能够较好地保证数字孪生模型与物理实体间同步控制的一致性、动作映射的实时性,实现了光学位移台运动状态的可视化监测功能。此外,设置的运动数据类型可满足微米级的信息传递,保证了光学位移台使用时的精度要求;同时虚拟控制面板各功能正常运行,提升了光学位移台控制的便利性。

针对现有轮式全向移动机器人在工程实际应用中存在的驱动轮同步转向能力差的问题，设计了驱动轮同步转向机构。首先，基于虚拟样机技术分析了该同步转向机构的工作原理，并将它应用于轮式全向移动机器人。然后，利用运动学原理对加入同步转向机构机器人进行运动学分析，得到了电机输入转速与驱动轮转向速度之间的关系。最后，根据系统结构参数研制了一款主要应用于工厂物料搬运工作的产品样机并进行实验验证。机器人横向移动实验结果表明，该机器人可以通过不同方式进行全向移动，验证了该机器人的全向移动功能。研究表明同步转向机构的应用降低了轮式全向移动机器人控制难度，实现了机器人高速、高精度、高稳定性全向移动。

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。

将无人机（unmanned aerial vehicle, UAV）技术用于实现电力线展放正逐步成为电力行业发展的主要趋势，研究无人机自主架线技术能够有效提高作业效率、降低施工成本和保障工人安全。但现阶段无人机架线技术面临的问题主要有：1）大多数无人机依赖人工操控或地面站发布航点控制，智能化水平低，长期作业会给电力工人带来较强负荷；2）无人机缺乏自主避障能力且感知能力不足，电线、电杆等障碍物会对其造成安全隐患。为解决上述问题，首先，构建了无人机自主架线系统的硬件框架和以ROS（robot operating system，机器人操作系统）为基础的模块化软件框架，并在此基础上实现了架线任务规划算法和架线弓检测算法等，使无人机具备稳定的自主架线能力。然后，利用碰撞检测方法构建了无人机碰撞模型，并提出了无人机路径规划算法，同时引入地面站辅助避障策略，以有效提高无人机的安全性。实验结果表明：所设计的无人机自主架线系统的软、硬件框架合理，架线任务规划算法能帮助无人机高效稳定地完成自主架线任务；地面站能够实时监控无人机状态，并在必要时及时辅助无人机避障，最大程度地保证了无人机的安全。所设计系统安全可靠，可满足实际电力架线作业的需求。

钢帘线在捻制的过程中会产生残余扭转，导致钢帘线在捻制完成后沿捻制相反的方向出现不同程度的回转，严重影响钢帘线的使用性能。为了减小钢丝捻制过程中出现的残余扭转，设计了钢帘线残余扭转在线监测及自动消除控制系统。利用西门子S7-200系列PLC（programmable logic controller，可编程逻辑控制器）对控制系统的软件和硬件进行合理配置，并详细阐述了系统的硬件和软件设计。采用台达DOP系列的触摸屏，实现钢帘线残余扭转在线实时监测的功能。该设备整机性能稳定，实现了残余扭转的控制与消除，满足生产线高柔性化、高效率、高质量的自动化生产要求。

为了实现某空间飞行器在空间低功耗平稳转动，从提高其动态性能和稳态性能的角度，提出了基于缓冲阻尼的空间大惯量负载驱动系统的设计方法。通过系统阻尼参数匹配设计，并利用弹簧阻尼技术，实现了驱动系统大惯量转动过程的快速启动和平稳制动，解决了其转角行程过冲较大的问题，满足了运动精度要求。采用SimulationX软件对该驱动系统进行了动力学建模，对传动刚度和阻尼特性对驱动系统启动和制动的影响进行了仿真分析，最终通过实验验证了该驱动系统可以较平稳地启动和制动大惯量负载，且性能稳定，运动精度高，说明了驱动系统设计方法的合理性。研究结果为以小功率驱动大惯量负载提供了一种较好的实现方法。

线控制动技术是未来汽车制动技术的发展方向，引起了国内外汽车制造商的广泛关注。针对现有汽车电子机械制动系统缺少GB12676-2014中规定的制动磨损补偿装置，创新设计了一种具有间隙自动调节功能的新型汽车电子机械制动系统。在MATLAB/Simulink中建立汽车电子机械制动系统的驱动电机、电机摩擦、蜗轮蜗杆、滚珠丝杠、负载的数学模型。搭建制动系统实验台，测试分析了系统在阶跃、三角波、方波、正弦信号下仿真与实验的制动性能区别，测试对比了系统在有/无间隙自动调节功能下的制动性能。实验结果显示，系统启动电流具有"尖峰"特性，制动正压力反应灵敏，可以满足制动要求。通过参数关系分析，得出制动正压力与堵转电流成线性关系，制动正压力与丝杠位移（电机转角）满足三次多项式的参数关系。仿真与实验结果验证了所建数学模型的正确性，所得到的参数关系可以为减少力传感器等装置的制动系统提供理论依据。所设计的间隙自动调节功能可以有效保障每次制动时制动间隙和制动响应时间的一致性，进一步提高制动系统的安全性能。

为提高移动机器人在复杂环境下的速度控制精度和适应能力，提出了一种基于多传感器融合信息的移动机器人速度控制方法。首先，根据多传感器非线性优化融合理论，通过最小化运动观测残差的方法来构建移动机器人运动状态优化估计模型。然后，对利用单目相机、轮式里程计及惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）观测移动机器人运动的方法进行介绍，并计算了各传感器对移动机器人运动的观测残差及其雅可比矩阵。最后，结合移动机器人运动状态估计信息与增量式PID（proportion integration differentiation，比例积分微分）控制策略，设计了移动机器人速度控制系统，并通过多项试验验证了该控制系统的性能。试验结果表明，所提出的移动机器人速度控制方法有效减小了速度估计误差，较基于轮式里程计信息的速度控制方法在精度与稳健性方面有较大提升。研究结果对提升移动机器人在复杂环境下的工作性能有显著意义。

冶金工业机器人在现代工业生产中扮演着越来越不可替代的角色。由于工业自动化程度的大幅提升，人们对冶金工业机器人的性能也不断地提出新要求，尤其是对其控制系统的稳定性提出了更高的要求。针对目前冶金工业机器人轨迹跟踪精度较低且不具有自适应动态调节特性等问题，提出了一种模糊迭代Q-学习控制算法。以6-DOF（six degree-of-freedom，六自由度）双臂机器人为研究对象，利用Fuzzy工具箱编写模糊控制规则，以机器人产生的位置误差以及位置误差的变化率为模糊控制器的输入量，并引入Q-学习策略，以调整模糊控制器中的量化因子、比例因子以及迭代学习控制中的PD（proportional derivative，比例微分）参数，完成模糊迭代Q-学习控制器的设计。然后，联合ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems，机械系统动力学自动分析）和MATLAB软件搭建6-DOF双臂机器人仿真平台，开展高精度轨迹跟踪的轴孔装配任务模拟。仿真结果表明，6-DOF双臂机器人关节空间的轨迹跟踪精度较高，同时可以完成双臂轴孔协调装配任务，验证了所提出控制算法的有效性和先进性。研究结果可为双臂协作机器人实现高精度轨迹跟踪的轴孔装配提供参考，具有一定的实际应用价值。

多机驱动在输送装备实现高速、长距离、大运量等方面起着至关重要的作用。直线电机因其具有不存在摩擦、无旋转传动部件、能够沿输送机长度方向任意布置和降低输送带张力等特点而成为特殊高性能带式输送机较理想的中间驱动方式。通过分析直线电机的工作原理，对直线电机与旋转电机的优缺点进行了比较；针对带式输送机用直线电机，对比确定了其次级型式，并进行了次级输送带结构设计；基于封闭式散料储运物料试验系统建立了静动态特性试验台，并运用欧拉公式及逐点张力法求得直线电机推力（输送带张力差），进而分别对电压、气隙与推力之间的比例关系进行了试验验证，并间接进行了动态试验（机械特性试验），得到了推力关于输送带速度的数学表达式；基于Belt Analyst带式输送机计算分析软件，对输送带稳定运行及启动过程的张力进行了仿真分析，并与试验张力进行了对比分析。试验结果表明：推力分别与电压平方、气隙倒数的平方成正比；电压、气隙与推力之间的理论曲线与试验值相符；直线电机的推力与输入功率的比值较大，并随着气隙的减小，比值越来越大；与旋转电机相比，此直线电机无临界转速，并显示出很软的机械特性；稳定运行时张力的仿真值与试验值基本吻合，其相对误差均小于2%，但启动过程中张力试验值与仿真值误差较大，间接表明保证启动过程气隙均匀的重要性。研究结果可适用于多机配合驱动超长距离带式输送机的改进与实际应用中。

目前，大部分大型球罐内部定检、维修仍采用在球罐内部搭设满堂脚手架的方式，存在劳动强度大、检修周期长、安全性差、易造成罐体二次损伤等问题。为解决上述问题，设计了一种新的大型球罐内部检修工作台，该检修工作台由底部支承平台、中央支撑立柱、回转支撑平台、顶部回转平台和升降牵引装置构成，采用顶、底部双向牵引和顶部水平回转相结合的结构，保证载人工作篮能够快速运行并精确定位至球罐内壁所有检修工作点。载人工作篮、中央支撑立柱与上、下回转支撑臂共同构成平面四杆机构，保证载人工作篮在运动过程中始终保持水平。运用MATLAB和ADAMS对该工作台主要结构进行了动、静力学仿真分析，验证了工作台设计的合理性，结果满足承载力、平稳性、安全性等设计性能指标的要求。该检修工作台结构简单，装卸方便，采用电力驱动，方便设备状态监测、维护，可极大提高大型球罐检修工作效率。

针对工程车辆使用特点和发动机的配置需求，设计了一种新型涡轮式气启动马达，通过对单向器、齿轮推进装置以及连接装置等进行结构创新，避免了顶齿现象发生，且它具有体积小、强度高、传动可靠、寿命长以及小齿轮拆换方便等优点。动力总成设计采用双级冲击式涡轮转子，由2个定子和2个转子组成气道，提高了气体动能利用率。传动总成设计是在现有棘轮式单向器基础上加以改进，采用滚动摩擦和轴承支承结构，使得空气通过气路接口推动活塞轴向移动，减少了零件个数及摩擦。减速总成设计采用行星减速器，可实现极低速运转，同时具有质量轻、体积小、转矩和过载能力大、摩擦少且结构简单等优点。对该马达进行现场试验测试，试验结果表明，该结构与汽车发动机更为匹配，更能满足发动机启动要求，使机动车发动机顺利启动；其适应气源条件更宽，在无补气条件下可实现车辆多次启动，使得车辆气启动更为可靠。该新型气启动马达为发动机启动提供了一种选择，也对国内气动马达的发展起到了促进作用。

自主式水下机器人（autonomous underwater vehicle，AUV），尤其是回转形AUV，是海底探测、海洋地貌观察和军事海洋学研究的重要工具，但其续航能力一直是限制其完成远距离和长时间工作的关键问题。目前已研制出的水下对接装置只能与特定尺寸的水下机器人完成对接，通用性较差。为了解决不同尺寸回转形AUV的能源补充及数据上传下载的问题，介绍了目前存在的水下对接形式，并在此基础上设计了一款通用性水下对接装置。该装置采用水下灯光导引方式对AUV进行导引定位，当AUV进入对接装置后通过导流罩对AUV进行导向，最终采用丝杠滑台装置夹持固定AUV。该装置可以为不同尺寸的回转形AUV补充能源并提供数据上传下载服务，提高了AUV的续航力、数据收集能力，扩大了巡航范围。最后在水池中对该水下对接装置的灯光引导、夹持装置进行了测试，验证了该水下对接装置整体的可靠性及可行性。结果表明该装置结构简单，通用性较强，稳定可靠，对水下对接装置的总体设计具有一定的借鉴和指导意义。

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。

钠燃烧过程会造成试验厂房内的温度和压力显著升高。试验厂房的门作为厂房边界的一部分，应具备防火隔热和承压密封的功能，但在目前的实际应用中并没有可以满足该要求的工程门。基于此，针对钠燃烧过程的特点，并结合核工程的实际工况，设计了一种兼具防火隔热和承压密封功能的新型隔热密封门。以核工程中不同工况下常用工程门的结构为基础，结合该工程中温度和压力的实际工况，分别设计了隔热密封门的锁紧机构、门板组件、门框组件、铰链和密封条等。同时，通过设计计算分析了锁紧机构零部件的受力情况、门板组件的隔热性能和密封条的选型，并利用ANSYS有限元软件对隔热密封门的门板和压紧杆等关键部件进行了强度分析。最后，根据理论计算结果制作了隔热密封门样机，通过样机试验验证了所设计隔热密封门在280℃环境下具有防火隔热和承压密封功能以及较高的可靠性。所提出的隔热密封门设计和分析方法可为后续类似工况设备的设计提供依据和参考。

在石油钻探过程中，优质的钻头对于降低钻井成本和提高钻井效率至关重要。通过设计，将牙掌结构与牙轮结构相连接，并且分别在牙轮和牙掌上安装锥形齿和PDC齿，从而设计出一种新型的混合式单牙轮钻头。该混合式单牙轮钻头较一般单牙轮钻头多了PDC齿，利用冲击和剪切原理破岩。牙轮大端通过井底中心，所有齿圈与井壁接触，在破岩的同时可以起到保径作用。建立了混合式单牙轮钻头与岩石相互作用的有限元模型，并对钻头井底模型、牙齿主切削力和破岩体积进行了仿真分析。通过台架实验对数值模拟得到的钻压和进尺量进行验证。研究结果表明，数值模拟得到的钻压和进尺量与台架测试结果相符，破岩载荷规律与钻头结构设计特点一致。混合式单牙轮钻头与球形单牙轮钻头相比，侧向力减小39.6%，破岩效率提高37%。使用该混合式单牙轮钻头钻井时稳定性更高，可以减小井斜发生的概率。根据结果可知，数值模拟在研究该混合式单牙轮钻头破岩规律中是有效的，该方法为钻头进一步设计及其工作特性的评估提供了依据。

为了提高塑壳断路器的分断能力，对其灭弧室进行优化设计。基于电弧开断过程的理论研究，提出提高电弧电压的3种方式：1）优化灭弧栅片的结构，采用第1片引导、最后一片阻隔加上中间正常排布的方式，实现良好的切割电弧的效果；2）增加电机槽的磁吹结构，通过提高电弧受到的磁吹磁场强度来加快电弧的运动速度，借助ANSYS仿真方法可得新增加的磁吹结构使电弧增加了97 N的磁吹力；3）增加气吹结构，利用降低弧柱的温度来提高弧柱压降，采用介质恢复强度快的产气材料PA66作为气吹片。组合使用得到优化后的设计方案并制作样机，在室温（25℃）及415 V交流电压条件下进行短路分断实验，其分断能力由50 kA提升至70 kA，同时燃弧时间由5 ms缩短至3 ms。实验后拆解样机发现有部分试品出现灭弧室外壳破裂的问题，则将栅片基座开裂位置的壁厚增加2 mm，借助ANSYS的静力分析模块，对变更前后的外壳进行等效应力比较，分析结果显示新结构的强度提升了40.2%，再次装配样机后，最终顺利通过工程试验。研究成果对后续塑壳断路器的新品开发及改进设计具有一定的参考作用。