足式机器人在行走过程中，足端与地面之间的法向冲击力将影响机器人的在垂直方向上的稳定性。被动柔顺可以减小垂直冲击力但同时可引发平台持续震荡。针对该问题，设计基于足端力反馈的主动柔顺控制器，分析其对机器人垂直稳定性的影响。机器人由于机械间隙、步态、路面等因素将出现足端打滑现象，导致机器人水平方向失稳。引入摆腿回缩技术，分析摆腿回缩对机器人水平稳定性能的影响。仿真和液压足式机器人行走试验验证提出方法的有效性，提高了机器人行走过程中的垂直和水平方向稳定性。
针对一种新型汽车电泳涂装输送机构，提出一种结合解析几何法、旋量理论与虚功原理建立机构动力学模型的方法。充分利用该机构的对称结构特点，通过解析几何的方法分析该机构中各被动关节的速度、加速度，再引入旋量理论得出该机构各主动关节的速度、加速度，在此基础上应用虚功原理建立该机构旋量形式的动力学方程，进而计算出可直接实现控制的机构各主动关节轴向驱动力。利用Matlab和ADAMS软件分别对所建立模型进行仿真，仿真结果的一致性表明了该动力学模型的可靠性。所提出的动力学建模方法可简化建模过程，其步骤清晰，易于程序化实现，其研究结果可为进一步实现该新型汽车电泳涂装输送机构的高性能控制及实际工程应用奠定基础。
采用旋量键合图建立球面2-DOF过约束并联机器人机电两种能量并存系统动力学模型，该方法相对传统力学原理动力学建模方法的优点是建模过程规则化，能够得到适合于现代控制理论的空间并联机构状态方程。所建动力学模型只有36个方程，但由于被动过约束(公共约束和冗余约束)和主动过约束(冗余驱动)的存在，共有43个未知量需要求解。为此，针对被动过约束问题，分析三个分支变形引起末端相对于球心O的位移量，增加了6个变形协调补充方程;针对主动过约束问题，提出了采用输入力优化的方法，增加了1个补充方程，最终得到了该机器人完整的多能域系统动力学全解模型。通过数值算例，验证了该方法的可行性和合理性。该方法可以推广到其他包含机、电、液、气的多能域过约束并联机器人系统，为该类多能域机器人系统动力学建模分析提供了一种新的思路。
以关节式机器人为对象，进行机器人仿人运动研究。从人体动作姿态识别、人-机动作映射、机器人运动控制等方面，详细阐述机器人仿人运动算法。提出人体动作姿态识别方法，利用Kinect传感器捕获人体运作的关节点位置信息，在建立人体基准坐标系的基础上，为了得到描述肩、肘运动的动作信息，计算人体手臂动作的关节角度，实现人体动作姿态的识别。在分析人体肩、肘等关节和机器人机构差异性的基础上，建立人体手臂与四自由度机械手臂的人-机动作映射规则。针对机器人自由度较少，无法完全复现人体运动的情形，分析、比较不同控制策略的优缺点和适用性，寻求适合机器人操作的复现控制策略。关节式机器人接收运动控制指令，执行相应的关节运动，从而实现机器人仿人运动。相关试验验证了人体动作姿态识别和机器人仿人运动控制算法的有效性。研究成果对于提高机器人控制和操作的简单易用性、提高人机交互能力具有借鉴意义，对于扩展机器人应用领域具有实践意义。
采用多目标进化算法对正铲挖掘机工作装置进行优化设计，目标是水平直线挖掘铲斗切削后角变化量、主要挖掘区域内纵向斗杆挖掘最大挖掘力和纵向铲斗挖掘最大挖掘力3个性能指标。针对NSGA-II处理具有复杂Pareto最优前端优化问题能力不足的问题，提出动态拥挤排序策略，提高算法求解的多样性，引入差分算子和柯西变异算子，提高算法的全局寻优能力。使用ZDT系列测试函数对改进算法进行测试研究，结果表明改进算法的收敛性指标和多样性指标均有很大提高，能够很好地处理具有复杂Pareto最优前端的优化问题。基于改进的优化算法对正铲挖掘机工作装置进行优化设计，并利用理想解法得到了最满意优化方案，优化结果表明了改进算法应用于实际工程问题的有效性和可行性。
将离散约束优化问题转化为等效约束整数规划问题(Constrained integer programming problem， CIPP)，并应用离散差分进化(Discrete differential evolution， DDE)算法求解这类问题。提出DDE算法种群维分量一致的概念，并揭示种群维分量呈现一致状态将导致进化停滞的缺陷，数值算例仿真结果验证了理论分析的正确性。在引入定量刻画DDE算法种群多样性指标——种群多样度Γ的基础上，提出一种基于种群连续进化停滞代数和Γ监测的种群多样性保持策略，以克服种群维分量一致进化缺陷，进而增强算法全局优化能力。将多样性保持策略嵌入DDE算法，并结合可行性规则约束处理技术，形成求解CIPP的多样性保持离散差分进化算法(DDE algorithm with diversity maintenance strategies， DMDDE)。建立某刮板输送机所用二级斜齿圆柱齿轮传动体积最小化设计的离散约束优化模型，再采用DMDDE算法求解该问题。数值试验表明，DMDDE算法的鲁棒性和收敛精度优于4种对比算法。优化结果明显好于原设计方案，齿轮体积较原设计下降40.8%。
基于箔片轴承结构刚度试验结果推导单个波纹箔片非线性刚度模型，通过有限差分法耦合求解气体Reynolds方程、气膜厚度方程和单个波纹箔片非线性刚度方程得到了轴承静态特性，研究波纹箔片非线性刚度对轴承静态特性的影响。通过对波纹箔片非线性模型和文献中的波纹箔片等刚度模型仿真结果进行对比分析，结果表明：单个波纹箔片刚度具有很强的非线性，轴承气膜压力分布不均使得轴承承载区波纹箔片的刚度要远远大于非承载区的刚度，并且轴承轻载时非线性刚度模型刚度值较小导致仿真得到的轴颈偏心率和非承载区的气膜厚度都明显大于文献恒定刚度模型的结果。此外，通过分析得出了一种先进行刚度试验得到单个箔片非线性刚度模型后利用数值方法进行求解的箔片轴承静特性分析方法。
综合考虑电动机端电压频率的实时变化以及电动机负载扭矩波动对电动机瞬时转速的影响，建立了变频控制游梁式抽油系统曲柄运动规律、抽油杆柱纵向振动规律与系统动态参数的仿真模型。将抽汲参数、平衡装置参数、频率函数、电动机输出轴皮带轮转动惯量等系统运行参数作为优化设计变量，在保证油井产量不变、抽油机承载能力、抽油杆柱强度、平衡度和上下冲程时间分配等约束条件的基础上，以系统输入功率最低作为优化设计的目标函数，建立了变频游梁式抽油系统运行参数优化设计的数学模型。仿真与优化结果表明：① 在抽汲参数一定的条件下，优化实时频率可以显著改善游梁式抽油系统的动力性，具有明显的节电效果;② 优化电动机输出轴皮带轮转动惯量可以降低电动机输出功率的幅值与波动程度，进一步提高变频控制游梁式抽油系统的节电效果;③ 综合优化抽汲参数、平衡装置参数、频率函数与电动机输出轴皮带轮转动惯量可以显著改善系统的动力性能，降低系统能耗。
提出一种压电型薄膜式差动节流阀，实现出油口压力的差动控制，并建立节流阀的数学模型，得出了流量公式。静压主轴前端采用静压轴承支撑，后端采用滚动轴承支撑，建立了静压主轴的动力学模型，且忽略静压轴承的动压效应，得到了静压轴承的油膜力以及流量公式。利用压电型薄膜式差动节流阀的差动效应，使节流阀的两个出油口分别连接静压轴承的对置油腔以期实现期望轴心轨迹，且仿真分析了期望轴心轨迹与压电陶瓷位移之间的关系，并得到了初始节流间隙与压电陶瓷位移间的关系。
针对多跨转子轴系现场动平衡需频繁启停机的问题，结合影响系数平衡法和模态振型平衡法特点，提出一种新的基于动力学有限元模型的轴系无试重整机动平衡法。综合转子动力学相关理论和有限元技术，通过仿真构建与轴系结构尺寸和运行参数相符的转子动力学有限元模型。采用柔性转子共振分离原理，分析轴系振型和不平衡振动阶次以确定各跨转子加重平衡平面数和位置，分别在各跨转子平衡位置处施加不平衡激励，获取轴系平衡转速下各振动测点处不平衡响应，计算出相应的加重影响系数，从而取代轴系现场动平衡中需要多次启停机试重测取过程。然后采用最小二乘法通过解平衡矢量方程组得到轴系所需的平衡配重。最后以模拟百万兆瓦超超临界汽轮机的四跨五支承柔性转子轴系试验台为例，应用该方法开展了2 700 r/min转速下轴系四个平面同时配重动平衡试验，单点降幅最高达53%，实现了无试重下柔性转子轴系整机动平衡，可有效减少因盲目试重次数，节省平衡费用和周期。
作为列车走行部的关键零部件，轴箱滚动轴承支承松动故障会直接影响到车辆的运行平稳性。针对高速列车滚动轴承内圈与轴颈配合的松动问题，提出一种车体-构架-悬挂-滚动轴承-轮轨的垂向耦合动力学模型，并采用优化的四阶Runge-Kutta数值积分及试验方法，研究不同松动间隙、不同行驶速度下，高速列车滚动轴承支承松动系统的非线性动力学特性。结果表明：理论计算与试验结果较吻合，松动间隙的大小对未松动侧轴箱的振动响应影响不大，但对松动侧轴箱的振动响应有较大影响，且可使得系统的运动状态由近拟周期运动发展为混沌运动。列车低速行驶时松动侧轴箱振动幅值和振动速度均比高速行驶时更大，轴箱振动响应的低频成分只与行驶速度有关，不随松动间隙的改变而改变。
针对轴承早期微弱故障难以准确识别的问题，提出一种基于双时域微弱故障特征增强的轴承早期故障智能识别方法。利用广义S变换和Fourier逆变换推导出一种双时域变换，将轴承振动信号变换为双时域二维时间序列。根据双时域变换的能量分布特点，提取二维时间序列的主对角元素以构建故障特征增强的时域振动信号。仿真信号和轴承故障信号分析验证了双时域微弱故障特征增强的可行性和有效性。采用脉冲耦合神经网络和支持向量机对增强后的轴承信号进行时频特征参数提取和智能识别，平均识别精度达到了95.4%。试验结果表明所提方法能有效提高轴承早期故障的智能识别精度。
扭振测试对旋转机械的故障诊断具有十分重要的意义，当测速码盘存在偏心时，会给扭振测试带来很大的误差。在轴实际存在扭振的情况下，由理论推导，得到在码盘偏心时测量转速与轴实际转速之间的关系式，从而得到测量扭振角速度，分析出测量扭振的组成成分并得到了其数学表达式。讨论影响扭转各成分幅值大小的因素，偏心比越大，测量扭振的误差越大;偏心比相同时，转速越高，扭振角速度的误差也越大;任一阶测量扭振均受到分布在其两边的轴实际扭振的所有阶次的影响，在幅值相同情况下，距离越远的阶次影响越小。仿真和试验验证了理论推导的正确性，仿真中的最大误差为2.83%，试验中的最大误差为5.6%。
针对稳定平台中活动线缆布局设计不合理造成的弹性干扰力矩较大的问题，提出一种基于运动仿真的活动线缆虚拟布局设计方法。该方法首先从拉伸、弯曲和扭转等方面考虑了线缆的物理属性，并建立基于Cosserat弹性杆理论的线缆物理模型，在此基础上建立了以活动线缆干扰力矩最小为目标的布局优化模型，针对无干涉约束、无过弯约束和长度约束进行了仿真过程中的约束条件检测，并以线缆两端的位置、姿态和线缆长度为变量参数，通过交互的和自动相结合的优化迭代方法获得了最小干扰力矩值下的布局方案。最后以某产品的稳定平台为实例，分别进行了仿真计算和实物布线，并对比分析了初始布线方案与优化后的布线方案相对应的弹性干扰力矩，结果表明提出的方法能够有效减小活动线缆所引入的干扰力矩值。
切削参数是数控加工工艺中的重要组成，切削参数的合理选择能够显著影响到机床能量效率。为提高机床能量效率，分析数控铣削加工的能耗构成特性和加工时段能耗特性，建立数控铣削加工能耗模型，并通过非线性回归拟合获取能耗模型的相关系数，建立了以最高能量效率和最小加工时间为目标的多目标优化模型，采用连续禁忌算法对模型进行优化求解。通过算法优化结果与试验结果进行对比分析，验证了能效模型的有效性。
在对任意结构机床进行空间几何误差建模时，必须要获得该机床运动轴误差传递链，从而基于微分变换实现任意结构机床误差建模。通过运用多体系统理论，构建任意结构机床拓扑结构与低序体阵列，利用机床拓扑结构与低序体序列提出了机床运动轴连接支承件相对运动矩阵与机床支承件连接矩阵概念，建立了获取运动轴误差传递链的数学模型。该数学模型将描述机床拓扑结构的低序体序列与机床支承件相对运动关系结合起来，给出了获取任意机床运动轴误差传递链的建模方法。并且将利用此建模方法获得的运动轴误差传递链运用于基于微分变换的机床空间几何误差建模中，实现了对任意结构机床空间几何误差建模。最后以五轴立式加工中心为算例，验证了该运动轴误差传递链建模方法的有效性。
针对可重构制造系统(Reconfigurable manufacturing system， RMS)需要兼顾柔性和效率问题，提出考虑机床闲置和工件绕路因素的RMS工件族构建方法。该方法首先提取不同工件工艺路线之间的最长公共子序列，然后以最长公共子序列为基础，考虑机床闲置和工件绕路因素将非最长公共子序列的工序合并到最长公共子序列中，形成最短混合工艺路线，通过分析最长公共子序列、最短混合工艺路线与工件相似性之间的线性关系，建立工件相似性系数求解算法，以此作为工件聚类成族的基础。最后，将该方法与已有方法进行对比分析，验证了该方法的准确性和实用性。
五轴数控机床进给系统组成结构复杂，特别是在复杂曲面加工过程中其动态刚度不断发生变化，成为制约其加工精度的主要因素。研究过程中以五轴机床运动产生的弹性变形为出发点，建立了A/C双摆头机床进给系统动力学模型，推导了因进给系统弹性变形导致的轮廓加工误差，并基于一种新型的自由曲面检验试件，给出了其数控加工过程的运动控制策略，分析了轮廓度误差与试件曲率间的关系，得到了数控机床进给系统刚度特性对自由曲面轮廓误差的影响机理，最后在机床上进行了切削验证。上述研究成果有助于完成复杂曲面加工过程中机床工作性能评估，为利用检验试件分析机床动态刚度特性提供了原理性支持。
基于对“S”形加工样件的复合机床误差影响溯源的研究，提出一种辨识影响加工缺陷最大的误差参数的方法。该方法将“S”形样件加工缺陷与复合数控机床成形运动综合考虑，采用三次B样条曲面对“S”形样件加工缺陷进行数学表征，并逆向推导出了“S”形样件加工缺陷处对应的刀具中心的实际位置，求解出了实际加工曲面到机床刀具的映射关系。同时利用多体系统误差分析理论建立了复合机床加工缺陷生成模型，并从机床角度求解出了缺陷处误差的表达方程。接着在“S”形样件缺陷产生的位置处，根据误差参数的敏感度及其实测值计算各项误差参数对加工缺陷的贡献并进行排序，确定对加工缺陷影响较大的5项误差参数。试验结果表明：该5项误差参数和全部误差参数同时作用下各点的误差进行差值比较，发现差值最大不超过±1.5 μm，因此、
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是对加工缺陷影响较大的5项误差参数。
螺纹具有特征尺寸小、结构复杂的特点，其非线性接触的有限元分析具有很高的难度，因此机械零件强度仿真分析时螺纹通常被忽略，只根据经验对螺纹作保守设计。事实上承受循环重载的零件极容易从螺纹部位发生疲劳断裂，在设计阶段有必要进行疲劳强度校核。针对此问题，提出了一种基于应力转换的内螺纹高周疲劳强度分析方法。此方法把螺纹根部应力分解为近源应力和远源应力两部分，通过无螺纹简化模型仿真获得螺纹接触压力和摩擦力之后转换为近源应力和远源应力并叠加得到螺纹根部最大应力，最后考虑应力梯度、存活率和表面粗糙度等因素的影响系数，借助Haigh图计算各扣内螺纹的疲劳安全系数。把这种方法与带螺纹的细节模型有限元仿真和疲劳强度分析结果进行对比，所提方法的安全系数结果与细节模型的相应结果相差-7.6%;把这种方法应用于某型号缸体主轴承壁，其分析结果与疲劳试验结果相差-8.2%，证明了它的可行性。
传统龙勃透镜是一种具有梯度介电常数的球状介质天线，其功能是实现电磁波的球面会聚与定向发射，可广泛用于移动卫星通信。然而由于梯度介电常数分布、球面汇聚等特征，使得其制造尤为困难，且不易于集成。根据一种新型底面扁平龙勃透镜天线的设计方案，提出采用混合液体介质与3D打印技术相结合的制造方法，采用3D打印技术实现二维、三维透镜框架的快速制造，制备出介电常数大范围可调的混合液体介质(2.2~40.0)填充于框架中，所制备液固耦合的龙勃透镜天线在12.4~18.0GHz范围内具有宽频特性，并能实现全场扫描(-90?~90?)。所提出的方法为梯度介电常数透镜天线创新设计提供了一个新的实现手段，并将会进一步推动高性能透镜天线的实际应用。
为了提高软性磨粒流加工过程中的湍流强度分布均匀性与材料去除率，提出一种基于超声波激振湍流强化的软性磨粒流光整加工方法。在磨粒流约束流道内引入超声激励，利用超声波的空化效应控制流道内的流体流态。建立考虑液固及声场耦合的磨粒流加工动力学模型，对其加工过程中的流场特性进行了模拟研究，并搭建超声强化磨粒流加工试验平台进行验证。数值仿真结果表明，非定常流场可获得更为均匀的速度矢量和湍动能分布，超声波激振引起空化效应能够有效地增强软性磨粒流的湍流强度和避免加工死角的出现，同时揭示湍流增强导致磨粒流动轨迹复杂多变是加载超声波激振抑制磨粒流的过加工和粗糙度值翘尾现象形成的原因。加工试验表明，该方法可减小加工时间约6 h，能够得到更为均匀的表面质量。
针对金刚石砂轮磨粒形状的不规则性、尺寸的变化性以及空间位置随机分布的特点，采用基于球坐标的随机点产生的空间平面切分实体的方法，建立更接近实际的虚拟多面体磨粒，并建立金刚石砂轮模型;从类似机床刀具切削刃的磨刃二面角出发，运用仿生物学中光密度以及计算机数字图像处理的方法，提出了基于光密度、积分光密度、平均积分光密度的一种新的砂轮形貌评价方法，并通过试验测量研究了磨刃二面角与积分光密度值之间的关系。研究结果表明，磨刃二面角越大，积分光密度值越大，在0~200之间变化。最后结合砂轮表面面积密度、磨粒平均个数、出刃高度、积分光密度值等参数验证了所建立的虚拟多面体磨粒和砂轮模型的有效性。
采用理论分析与试验结合的方法研究沟槽与方柱阵列结构参数对水滴在其表面接触角的影响。基于适用于光滑表面的Young氏方程和适用于粗糙表面的Wenzel模型及Cassie-Baxter模型，建立沟槽结构和方柱阵列结构的Wenzel模型公式以及Cassie-Baxter模型公式，计算出水滴在其表面的接触角理论预报值。采用直径0.1 mm微铣刀加工出相应的沟槽结构和方柱阵列结构表面，测量水滴在加工表面上的接触角，并与理论预报值进行比较分析。研究结果表明，沟槽与方柱阵列结构可以使水滴在其表面的接触角增大，接触角随着微结构间距增加而增大，随着凸台(方柱)宽度增大而减小。沟槽结构与方柱阵列结构对接触角的影响规律不尽相同：沟槽结构表面上水滴在垂直于沟槽方向和平行于沟槽方向的接触角有差异并且相互影响;水滴在沟槽结构表面有着更稳定的接触角变化，而在方柱阵列结构表面有更大的接触角，并且更接近球状。
