混合驱动机构是可控机构的一种，其适度柔性以及降低驱动与控制成本的特性与优势使其成为现代机构学的重要研究分支之一。随着对混合驱动机构研究的深入，混合驱动机构理论和应用也不断地发展和创新。对现有的研究成果加以分析和总结将有利于促进混合驱动机构理论和应用的进一步发展。分析混合驱动机构的内涵，分别论述双自由度和多自由度混合驱动机构的研究进展，主要包括：混合驱动机构的构型设计与可动性、混合驱动机构的轨迹特征、混合驱动机构的运动学、混合驱动机构的动力学及混合驱动机构的应用等方面的研究进展。提出混合驱动机构研究的关键问题，总结了混合驱动机构的未来发展趋势。研究成果对拓展混合驱动机构的设计空间、开辟混合驱动机构新的应用领域具有重要意义。
以一种具有空间SCARA运动(三维平动和一维转动)的四自由度并联机构为研究对象，系统研究其简化刚体动力学模型的创建方法，提高了力矩求解精度。在运动学分析的基础上，利用虚功原理，建立机构的完备刚体动力学模型，并利用ADAMS校验该模型的正确性。考虑机构各活动构件的结构和运动状态，建立机构的单变量简化刚体动力学模型，奠定了变量优化的模型基础。以机构沿标准轨迹运动时，将完备模型和简化模型计算所得的单轴驱动力矩差值的最大值的绝对值的平均值作为优化目标，分析各尺度参数对优化目标的影响规律，为简化模型的最优变量确定提供指导。以一组给定参数为例，利用单目标优化方法，求解出变量最优值，通过与现有简化方法对比，验证了所述方法的有效性。
单环机构又称单闭链机构，这类机构运动巧妙，在诸多领域有着广泛应用。另外，在工程实际中还常常在开链机构中加入局部闭链以改善动力学性能，增加结构刚度等。介绍一种能够实现垂直Darboux 运动(Vertical Darboux motion， VDM)的空间单环RPSC机构，运用螺旋理论对其约束及运动性质进行分析。通过对锁住其驱动关节后的等价机构进行约束分析，确定了该机构的一类特殊驱动奇异，并借助相对直观的几何方法对RPSC机构中存在的这种奇异位形做进一步解释与说明。对机构中RPS分支的主要特点进行概括，并由特殊到一般地提出了一类具有相似特性的单环机构。
外界环境变化会引起空间光学遥感器产生离焦现象，导致遥感器成像质量下降，需要设计调焦机构来解决离焦问题。从保证遥感器成像质量和轻小型化的角度出发，详细介绍调焦机构的调焦方案、工作原理和系统组成，提出由双滑块机构实现调焦功能的新型调焦机构;对调焦机构的精度进行理论计算，得到该机构的定位精度和调焦镜的倾斜角度误差均满足设计指标要求。对环境试验前后的机构进行精度测试，试验结果表明，机构定位精度0.006 mm，调焦镜的最大倾斜角为16.5″，满足光学设计指标要求。理论分析和环境试验结果充分表明，该调焦机构具有结构稳定，定位精度高，环境适应性广泛等特性，在复杂多变的环境条件下能够满足空间光学遥感器精确调焦的目的。
基于经典Schatz机构提出一种在单一动力机的驱动下可以在地面上爬行并可控制移动方向的新概念移动机构。首先，根据Schatz机构的结构特性，考虑地面移动的功能需求，提出爬行Schatz机构的设计方案，进行了杆件形状设计和电动机的布置。其次，分析其移动机理。然后，基于动力学仿真软件建立虚拟样机进行仿真试验。继而，根据所发现的移动特性进行移动路径规划，提出对电动机进行转速调控以实现移动方向控制的方法，研究使其实现平面内任意移动的控制策略。最后，设计制作了样机，通过试验摸索出其移动规律，验证了转向控制方法和策略，试验结果证明了理论分析及研究的正确性。
以含有开槽型柔顺关节的并联机器人为研究对象，对其动力学及轨迹跟踪问题进行研究。根据柔顺关节特性，建立系统分析模型，应用拉格朗日方法建立系统动力学方程。为补偿系统具有的不确定性，分别设计趋近律上界滑模控制策略和径向基函数(Radial basis function， RBF)神经网络趋近律滑模控制策略，基于Lyapunov理论证明了系统的全局稳定性。应用S型速度规划曲线，分别给出直线轨迹和圆轨迹的运动规划算法。仿真结果表明，系统模型及控制策略能够有效实现柔顺关节并联机器人的轨迹跟踪。
针对宏-微机械手末端位姿、位置准确度的误差问题，受细胞学操纵子学说的启发，提出了基于操纵子模型的宏-微精密机械手运动的映射关系，研究精密机械手运动的影响因子和细胞学中的操纵子模型，分析机械手精密运动影响因子的影响方式和操纵子模型的结构组成及其工作机理，结合操纵子模型的工作机理，分析宏-微机械手的控制系统，在此基础上，求解机械手精密运动控制系统的操纵子模型，考虑在几何因素的影响下，得出机械手末端位置在影响因子前后的误差值，通过基于粒子群算法的比例-积分-微分(Proportional-integral-differential， PID)控制器对误差结果进行优化，得出基于时间乘绝对误差积分准则(Time multiplied by the absolute error integral， ITAE)的粒子群算法(Particle swarm optimization， PSO)变化曲线和PID最优的控制参数。结论表明由映射关系推导出的控制系统能够满足一定的精度要求，并能进一步提高机械手的运动精度，为生物控制在机器人中进一步的创新研究提供了理论基础和依据。
无人水下航行器(Unmanned undersea vehicle， UUV)是水下作业探测中一种应用广泛的工具，它能否很好地适应水下环境对其远距离正常工作有着重要影响。与水下鱼类对比，机器人与水下环境间的交互能力相去较远，其中尤以水下机器人对海洋环境的水流特征识别最为重要。传统UUV在水下的控制运行必须消耗大量能量维持状态与运行，这种被动应对环境的方式具有很大的不足，也对无线遥控水下机器人的生存造成障碍。因此，水下机器人能否正确感知水流是其能否进一步探索利用海洋的重要因素。研究发现，鱼类的侧线系统可感知水流，并辅助运动规划。研究鱼类侧线感知水流的机理，针对鱼雷型UUV的不同水流环境，使用计算流体动力学方法提取本体压力数据，选择线性判别分析与支持向量机技术训练并建立水流感知分类模型，从功能角度仿生侧线感应水流能力。模型测试表明，不同的水流工况下UUV识别到不同模式，可进行本体周围水况区分度辨识，为水下机器人识别水流环境与利用海洋提供一种新的视度。
单边缝合技术作为一种新的复合材料预制件加工方法能够克服传统缝合设备无法加工三维空间复杂形状大型结构件的缺陷。为了实现缝合线迹的稳定成型，避免单边缝合机械手系统在缝制加工过程中出现跳针，断线及线迹松弛等问题，在分析单边缝合机械手系统的工作原理基础上，提出一种控制缝线供需平衡以保证缝合线迹稳定成型的思想，通过分析缝合机构的运动规律，建立针对于单边缝合技术的缝线瞬时需线量分析模型，同时从挑线机构运动规律及缝线线道设计方面给出相应的供线量模型，并提出单边缝合线迹稳定成型条件。通过算例分析验证了模型的合理性与可行性，缝合试验结果表明所提出的方法可用于单边缝合机械手系统的线迹稳定成型控制，也为同类缝制设备的研制提供了理论参考。
低频机械波在传播过程中穿透力强，难以衰减，特别是次声频段的机械波易与机体器官发生共振，对身体造成危害。为了实现对低频机械波的有效控制，解决现代工业生产和生活中普遍存在的噪声污染问题，结合最近十几年发展起来的声子晶体和声学超材料，系统地总结和论述通过声子晶体和声学超材料解决低频振动噪声问题的新方法。归纳和总结典型的低频振动噪声来源和对其进行控制方面存在的一些困难，介绍低频振动噪声的危害。重点概括基于声子晶体禁带特性实现低频振动噪声被动控制的相关研究工作，主要介绍通过亚波长尺寸特征的杆、薄板和薄膜类结构来实现低频振动和噪声衰减的具体方法和效果。在声学超材料的理论框架下，讨论薄膜类结构在低频振动噪声衰减中的应用及其优缺点。通过结合实际工程需要和最新研究动态，对这一领域存在的问题和后续发展趋势进行总结。研究对推动声子晶体和声学超材料在工程实践中的应用具有一定的引导意义。
针对滑动轴承支撑下的转子系统发生不对中故障进而引起不对中-碰摩耦合故障的诊断问题，基于非线性有限元法，应用短轴承油膜力、等效不对中力矩及Hertz接触理论建立双盘不对中-碰摩耦合故障转子系统动力学模型，并通过增广的拉格朗日方法来处理接触约束条件，以保证转盘和机匣相互接触时满足边界渗透深度在规定的容差范围内。同时，结合试验研究分析了在不同转速条件时，滑动轴承支撑下的耦合故障转子系统的相关动力学特性。研究表明碰摩故障在耦合故障中处于主导地位，不对中故障主要会激发高倍频谱处于从属地位;并且随着转速的提高，系统频率成分以高倍频为主，逐步由拟周期运动进入混沌运动状态，同时由于不对中力矩与碰摩力的作用，油膜失稳现象局部被抑制，一、二阶油膜振荡现象均滞后显现。研究结果可为滑动轴承支撑下耦合故障转子系统故障诊断提供依据。
针对运动激励下结构动态响应的模态叠加法求解问题，在分析传统的大质量法、大刚度法的局限性的基础上，提出一种新的运动激励转化方法——固定边界-模态叠加法：基于响应等效和约束反力动力平衡原理，将运动激励转化为其作用单元的等效节点载荷，并在运动激励自由度上施加固定约束，进而可以采用一般的力激励模态叠加算法进行结构动态响应计算。固定边界转化方法没有改变原有结构的固有振动特性，在理论上是精确的，克服了大质量法、大刚度法需要补充新的单元修改有限元模型和人为选择参数的缺点，并且可以通过局部有限元网格细化，提高转换载荷矢量近似计算的精度。通过一个平面应力结构的频率响应分析和一辆轻型货车三维板壳模型的瞬态响应分析验证了固定边界-模态叠加法的有效性。
目前对声学超材料的优化设计都是基于确定性的物理模型，忽略了不确定参数对其超常声学性能的影响。针对这一现状，将区间模型引入声学超材料，研究不确定参数对声学超材料声强传递系数和负有效体积模量的影响;接着在此基础上，以声强传递系数为目标函数，以负有效体积模量为约束条件，构造区间模型下声学超材料的可靠性优化模型。数值结果表明，优化后的声学超材料即使受到不确定参数的干扰，仍能保守满足其可靠性约束条件，并改善其声强传递系数和负有效体积模量。
开闭-闭开组合形态滤波(Combination morphological filter， CMF)可以有效剔除振动信号中的脉冲干扰，顶帽(Top-hat， TH)变换充分反映出信号周期性的冲击特征，借鉴此两种形态算子的理论思想，提出一种新的数学形态算子——组合形态-hat变换。为准确描述形态学算子在振动检测应用中的理论依据，通过非线性滤波器频响特性的分析方法考察形态学算子的滤波性质。此外，针对数学形态算子中结构元素的尺度按经验选择的问题，采用粒子群优化算法(Particle swarm optimization， PSO)对组合形态-hat变换的结构元素尺度进行参数优化，提高数学形态算子在振动信号处理中的精确度。通过仿真信号和实测风力发电机组振动信号的分析结果表明，参数优化的组合形态-hat变换在抑制背景噪声和提取冲击特征方面具备优良的性能，并能够准确高效地识别出风力发电机组齿轮箱高速轴齿轮的磨损故障，具有一定的实际工程应用价值。
行星轮系中零部件多、结构复杂，建模难度大。行星轮既自转又公转，导致啮合点到固定在箱体上的传感器之间的距离时刻变化，从而产生振动传递路径时变效应，增加了振动响应的复杂性。现有的动力学模型大多针对正常情况下的行星轮系进行建模，而且未考虑振动传递路径时变效应对振动响应的影响。针对以上不足，推导了行星轮系正常、裂纹及剥落三种情况下的时变啮合刚度算法，考虑振动传递路径时变效应的影响，建立了相应的动力学模型，求解得到行星轮系正常、裂纹及剥落时的动态响应，并分析了它们的频谱特性。搭建了行星齿轮箱试验台以获取振动响应信号，与模型响应信号进行了对比分析，结果验证了动力学模型的准确性，为行星轮系的健康监测提供了理论依据。
针对工程实际中的齿轮存在齿距偏差，主要研究齿距偏差对齿轮系统振动特性的影响。考虑齿距偏差，建立了齿轮啮合刚度和传递误差模型，在此基础上，建立了通用齿轮啮合动力学模型，将该模型与转子系统有限元模型进行耦合，得到了齿轮转子系统有限元模型，分析了齿距偏差对系统振动响应的影响。研究结果表明：由于齿距偏差的存在，齿轮双齿啮合区刚度降低，无载荷传递误差增大，齿轮系统振动增大，频谱图中出现啮合频率及其高次谐波的边频带成分，这些边频带主要由主动和从动齿轮的转频及其倍频组成。减小齿距偏差和增大作用扭矩均能降低齿距偏差引起的边频带幅值。研究结果可为含齿距偏差的齿轮振动分析提供理论依据。
研究栓接结合部在动载荷下的能量耗散特性，对描述机械系统复杂力学行为具有重要的理论和实际意义。利用Bouc-Wen模型模拟栓接结合部的迟滞非线性特性，提出在动载荷下系统能量耗散计算方法和参数辨识方法。为验证所提方法的正确性，利用Mindlin模型所仿真出的非线性迟滞曲线作为栓接结合部所获得的试验数据，对Bouc-Wen模型进行参数辨识，并采用力控制方式分析Bouc-Wen模型中各个参数对系统能量耗散特性的影响规律。结果表明：随着量纲一切向力的增加量纲一能量耗散随之非线性递增;参数A、δ、γ和n对能量耗散的影响与其灵敏度相关，灵敏度越大则能量耗散的递增速率也越大;能量耗散随着参数A、γ和n的增加而增加，但参数δ则反之;栓接结合部能量耗散不仅与Bouc-Wen模型中的参数相关，而且与系统激励频率和振幅非线性相关;量纲一切向力与量纲一能量耗散之间关系可表示为η=aΓb的函数形式。
在砂型数字化无模铸造精密成形技术基础上，为实现砂型数字化柔性挤压近净成形创新提出了砂型数字化挤压成形方法，研究了砂型挤压成形优化算法，建立了砂型挤压头阵列包络体积最大值目标函数V(α， X，Y)max及其约束条件数学模型，优化出挤压砂型近净成形的最优角度和位置，使数字化挤压砂型型腔与数字化设计砂型型腔尺寸逼近，实现砂型数字化柔性挤压近净成形。
考虑约束的路径规划是线缆布局设计的重要方面，针对目前三维环境下的布线方法效率低以及对约束考虑不完善的问题，提出一种基于任意时间RRT算法的三维自动布线方法。该方法将任意时间算法与双树吸引快速扩展随机树(RRT)算法相结合，兼顾路径规划的长度约束及搜索效率，实现线缆初始路径的生成，提出了基于障碍物的磁吸算法(OBMA)，将初始路径作“贴壁”细化处理完善线缆路径，最后建立了基于Cosserat弹性杆理论的线缆物理模型，计算获得线缆的精确空间姿态，从而完成布局设计。开发了原型系统，通过典型的布线场景对算法性能进行了测试，并利用某产品仪器板布线实例验证了线缆布局设计效果。
针对复杂多变的制造网络为一随机动态系统，在分析内外扰动因素对制造网络状态影响的基础上，从订单流的角度建立网络中订单概率转移矩阵;定义制造网络中制造单元的状态变量;从系统动态分析的角度选定在制品订单量作为制造网络全局最优控制的反馈状态变量，进而构建制造网络的状态空间动态模型。通过分析扰动因素对订单概率转移矩阵的影响，建立扰动状态转移方程，更新扰动因素作用下的订单概率转移矩阵，简化制造网络状态空间的求解复杂度;从控制论的角度出发，利用建立的状态空间输出方程预测制造网络扰动因素影响下的订单输出量，并采用典型输入信号分析制造单元对扰动因素的动态响应。以某结构件数控加工厂的制造网络为例，验证该模型与扰动分析方法的有效性。
提出以递归循环和深度优先搜索层次化装配序列的策略自动生成复杂产品层次化爆炸图的方法。为使设计结构符合装配规划的要求，设计了可方便定义子装配体和编辑装配树的装配结构重构功能。为避免重复的干涉检测，研究干涉矩阵合成方法，通过对原始装配关系信息的整合，柔性化生成面向层次化结构的装配关系矩阵。为降低大规模序列规划问题的复杂性，将整体规划任务分解为若干个及若干层级子任务，子任务内采用多规则筛选算法，以基于干涉矩阵的几何可行性为前提，并行性、连续性、稳定性和方向性等为优化筛选指标，循环构建序列。提出递归爆炸算法，循环对层次化装配序列进行深度优先搜索，实时计算已爆炸零部件的累积包围盒，从而确定待爆炸零件位移矢量，自动生成间隔均匀有序、结构紧凑且空间层次感强的爆炸图。开发了基于Siemens NX的装配规划系统AutoAssem，以减速器及汽车部件实例验证了方法的有效性。
几何误差、热误差和切削力误差占到了机床总误差的75%，对这3项误差进行控制是提高机床加工精度的关键所在。以双转台五轴机床的空间误差作为研究对象，通过对加工位置、主要热源及电动机电流等相关因素进行分析，确定空间误差建模所需的位移变量、温度变量和切削力变量。以现有的多种误差建模方法为基础，通过对信息融合技术进行研究，提出一种机床空间误差的多模型融合预测方法，建立综合反映几何误差、热误差和切削力误差的最优空间误差模型。最后以DSP为核心，设计空间误差补偿器，实施空间误差补偿，验证补偿效果。结果显示，建立的模型预测精度较高，残差小于2 μm，而实施空间误差补偿后，加工零件的轮廓误差也由15 μm降到了5 μm，补偿效果明显。
装夹是工件加工过程中首先面临的问题，而稳定装夹则是保证工件加工质量与生产安全的必要条件。为此系统地提出了基于稳定性指标与稳定量度的工件装夹布局优化模型及其遗传算法求解技术。根据静力平衡条件与线性规划技术，提出装夹稳定性的判断依据及其解算方法，实现装夹时工件“稳不稳”的定量描述;依据力的超椭球方程，将超椭球体积定义为装夹稳定量度，用以描述工件装夹稳定时“有多稳”的问题;引入离散化思想，构建了以使装夹稳定量度达到最大为目标的复杂工件装夹布局规划模型，根据每一代的装夹稳定性，定义个体的适应度评价函数，提出装夹布局规划模型的遗传算法求解技术。提出的基于稳定性指标与稳定量度的装夹布局规划方法，由于只涉及接触点的坐标及其法矢量信息，不仅适用于具有复杂表面的工件，而且能够避免工件处于非稳定状态下优化模型的求解过程，提高了计算效率，为复杂工件装夹布局方案的合理设计提供了基础理论。
提出了一种基于骨架树进行机械零件三维模型检索的方法。检索分为两个阶段。第一阶段首先提取机械零件三维模型骨架，然后将骨架转换成骨架树并用邻接矩阵来描述骨架树的拓扑结构特征，通过比较邻接矩阵特征值之和迅速完成零件拓扑结构匹配，实现零件的初步筛选。将大量与待匹配模型拓扑结构差异较大的模型过滤掉，极大地减少了第二阶段的匹配计算量。第二阶段首先寻找匹配的骨架子树，其次在匹配子树的基础上搜索骨架枝匹配对，进而采用空间离散曲线的曲率和弗朗内特标架进行空间曲线相似性计算，得到整个骨架形状相似度。通过实例验证与试验分析，该方法快速有效，具有较高的准确性和良好的鲁棒性。
