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。
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。
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。
现有机械抓手多为刚性结构，对被抓物品的自适应能力差。为实现柔顺抓取常采用欠驱动的方式，由此带来设计的机械抓手结构复杂、控制难度大的问题，而且通常只能应用于特定的目标对象。设计一种结构与控制简单、自适应能力强的软体抓手。该抓手由三个具有纤维增强结构的软体弯曲驱动器作为爪子协调配合实现抓取任务，气体的可压缩性与软体驱动器的弹性使此抓手拥有可对易损物品无损抓取的良好特性。选取合理的性能参数后，采用3D打印出模具浇注硅胶的方式制作出特性优良的驱动器，同样采用3D打印的方式制作抓手的连接基座，同时，整个装置的气密性通过独特设计的结构得以保障。该抓手配合UR机械臂抓取形状大小各异物品的试验结果表明：该抓手抓取稳定、自适应能力强、控制简单并且能够很好地实现无损抓取。
变胞机构发生构态变换时，不可避免地会造成冲击，严重时将导致系统失稳，因此对变胞机构进行稳定性分析对于变胞机构在实际应用中的推广至关重要。以面向任务可控变胞式码垛机器人机构为研究对象，将最大李雅普诺夫指数作为机构系统动态稳定度的评价指标，在所建立机构系统全构态非线性动态模型的基础上，考虑了机构材料参数、控制参数以及内冲击激励对机构系统动态性能的影响。运用Newmark法求解出机构系统全构态非线性动态模型的响应时间序列后，运用C_C法计算时间延迟和嵌入维数，对响应序列进行相空间重构，运用Wolf法计算响应序列的最大李雅普诺夫指数，根据系统输出端相图中的轨迹对系统稳定性进行分析。研究成果为变胞机构动态稳定性的研究提供了参考基础。
脑卒中和其他原因导致下肢运动障碍患者数量增多，科学的康复训练是降低致残率的有效手段，而康复医师严重不足是当前的主要矛盾，改善和提高上述患者的生活质量既是患者的需求，也是亟需解决的社会问题。针对下肢运动障碍患者在不同康复阶段的训练需求，提出一种串并混联结构的下肢康复机器人，该机器人包括两个(UPS-UPU-U)＆RR结构的4DOF机械腿、连接架和座椅，患者可坐、躺和站三种姿势进行康复训练。建立该机器人的三维模型，并对其具体结构进行详细介绍，基于螺旋理论对该机构自由度进行分析，建立矢量约束方程对其运动学正反解进行分析，结合ADAMS软件，仿真验证了对该机构自由度和运动学理论分析的结果。该研究成果为今后样机的研制奠定了理论基础。
由于除冰机器人工作在覆冰的电力线上，障碍物的识别存在着各类障碍物区分较难，准确率较低等不足。为提高机器人自主识别能力，设计一种自适应阀值的小波变换边缘提取算法来提取出障碍物的图像边缘，并针对电力线障碍物结构特点，在障碍物边缘提取过程中设计一种基于电力线位置约束的有效剔除部分干扰背景的方法;引入小波矩，通过提取边缘图像的小波矩作为障碍物的特征匹配数据;根据神经网络和粒子群算法的原理，设计一种粒子群优化的小波神经网络进行障碍物的识别分类，该方法用粒子群算法取代传统的梯度下降法，并改进惯性权重因子，优化小波网络的各个参数。试验结果表明所提出的方法对电力线上防震锤、悬垂线夹和耐张线夹等障碍物能够有效地识别，并具有比普通识别方法更高的识别精度。
仿生关节是四足仿生机器人实现灵活跳跃、奔跑等高速复杂运动的基本要素。针对现有气动肌腱驱动的仿生关节难以实现设定刚度下的高精度位置控制问题，提出一种基于模糊神经网络补偿控制的拮抗式仿生关节位置/刚度控制新方法。建立关节位置/刚度解算模型，根据关节驱动力矩及设定刚度计算气动肌腱的理论充气压力;建立关节输出刚度计算模型，根据关节输出位置及气动肌腱的实际充气压力计算仿生关节的实际输出刚度;采用由模糊神经网络补偿控制器、PID控制器和模糊神经网络辨识器构成的模糊神经网络补偿控制结构实现对仿生关节的高精度位置控制。以FESTO公司MAS型气动肌腱驱动的拮抗式仿生关节为控制对象，进行关节位置/刚度控制的试验研究，对比PID控制和模糊神经网络补偿控制的位置控制精度，探究仿生关节刚度的动态响应。试验结果表明：模糊神经网络补偿控制方法的位置控制精度显著优于PID控制方法，位置控制精度由3°提高到0.6°;同时两种控制方法均能较好地跟随关节设定刚度，刚度跟踪精度均在1 N?m/rad内。
以3-RPR并联机构为例，研究了动平台动力学参数对并联机构奇异构型运动稳定性影响。采用Lagrange方法，建立该机构显含自身动力学参数的无乘子二次项非耦合质点系动力学解析方程，基于Lyapunov第一近似稳定性理论，将奇异构型运动稳定性问题转化为一阶线性近似系统特征根问题。研究表明：当动平台绝对速度中心落在奇异构型获得的旋转自由度回转中心临近区域内，并联机构奇异构型运动稳定性较差;增大与动平台回转方向一致的角速度值及输入参数项取值，有利于提高动平台奇异构型的运动稳定性。该研究对于利用机构动力学参数，在设计与实际控制阶段，消除并联机构奇异运动，或提高并联机构奇异构型的运动稳定性，具有积极的理论价值。
针对目前机载航空电子装备恶劣的振动环境以及对相位噪声全频段降噪的趋势，考虑晶振系统的机电耦合特性对其进行减振降噪机电综合优化设计。从晶振的工作原理出发，提出了一种新的晶振相位噪声振动恶化特征的物理表征方法。在此基础上，构建了以强度和质量等为约束条件、以各个工况下的相位噪声为优化目标的数学模型并求解。仿真计算和试验验证结果表明，该方法能够在高频段相位噪声不恶化的前提下大幅度改善低频段的相位噪声水平，取得了满意的结果，并且该方案将应用到工程实际中。
起重性能参数是指导汽车起重机安全作业的关键参数之一，针对汽车起重机多参数约束下寻优的起重性能计算问题，进行了系统性的结构理论综合研究，给出了汽车起重机臂架强度、刚度、整体稳定性、局部稳定性、整车倾翻、伸缩变幅油缸稳定性等计算算法。构建了包括13类评价指标和由臂架、超起、变幅油缸和整车倾翻四个子系统组成的结构性能安全的综合安全评价体系。在算法基础上，建立了起重性能计算的优化模型。将不同的评价指标进行归一化处理，形成归一化指标集合，对集合元素取最大值得到性能总控制指标，提出了基于拉格朗日算法的起重性能数值迭代计算算法。该算法在迭代过程中，能同时进行计算起重量和幅度的调整，加速迭代收敛速度。计算实例结果表明：该方法收敛速度快，计算精度高，算法稳定可靠。为后续的汽车起重机起重性能计算软件开发奠定理论基础，相关算法也可为大吨位起重机结构设计和产品优化提供理论参考。
提出航空发动机结构静强度设计中的保护准则，通过准则的实施在设计中考虑以零件某种损失较小的模式失效来避免损失更大的破坏，从设计源头提高发动机的安全性和经济性。结合实例对保护准则的必要性进行了讨论，给出保护件、被保护件、保护环节的定义。重点研究防止轮盘沿子午面爆裂的保护件及保护环节形式，提出基于最优化设计方法的保护环节设计数学模型及设计步骤。给出传动轴、叶片、挡板等三个保护件设计的实例，理论分析和试验结果表明，提出的准则和设计方法是有效的。
喷墨打印作为3D打印的一种工艺和方法，具有材料利用率高、加工柔性高、制造周期短等优点。近年来，喷墨打印技术已成为陶瓷构件成形的研究热点之一。要成功地打印陶瓷构件，必须满足一定的条件，比如打印墨水的流变学特性、稳定液滴的形成因素、打印液滴的定位精度、咖啡环的消除与抑制。综述了压电喷墨打印陶瓷构件机理的研究进展，主要包括陶瓷墨水特性以及压电脉冲参数对稳定液滴形成的影响，液滴的下落过程及其撞击基板的位置精度分析，干燥过程中咖啡环的产生和消除，液滴形成过程中的数值模拟，以及现阶段喷墨打印在陶瓷方面的应用实例;最后，对喷墨打印在陶瓷方面的应用做出了展望。
为研究零件对称结构对装配效率的影响，分析抓取和定向两种零件装配操作过程，逐一考虑零件上的多对称特征并分类为轮廓型对称特征和定向型对称特征。以三种不同装配要求下，六边形棱柱零件可能转动的最大角度为例，在总对称角概念基础上提出零件总修正角概念。结合现有试验数据，在满足“零件越对称，装配效率越高”和四个基本条件下，建立多对称特征下的零件“对称度-装配时间”预测模型。用五种模型预测四种不同多对称零件的装配效率，对比结果表明：零件“对称度-装配时间”预测模型与试验结果更接近，具有更好的区分度与可信性。
将一种新型的仿甲虫鞘翅轻质结构应用于飞机大开口区的筋板结构设计，根据飞机大开口区对结构静/动态性能和散热性能的要求，分别构造目标函数，并采用拉丁超立方试验设计方法确定样本点数，建立有限元参数化模型进行仿真计算，利用响应面法得到各目标函数的响应面拟合函数，之后设定结构的多功能协同优化目标，并通过线性搜索法进行协同优化设计，优化后计算得到仿生轻质结构的散热性能、抗压刚度分别是优化前的14.3倍和2.1倍，动态性能指标得到明显改善，在相同载荷条件下结构减重11%;进一步以飞机大开口区加筋结构的一阶屈曲因子和最大位移作为优化约束条件，并以结构总质量最小为优化目标，构造各自响应面拟合函数，基于遗传算法优化筋板结构整体布局。优化后开口区加筋结构总质量减少15%，屈曲因子为1.02，较优化前提高21%，结构最大位移为12.1 mm，较优化前减少20%，优化效果显著。
散体颗粒介质兼有固体和液体的形态而又表现出不同于二者的诸多奇异性质，固体颗粒介质成形工艺正是利用这种特性将固体颗粒作为传力介质成功应用于金属板管材成形中并取得良好效果。为了探讨颗粒介质在固体颗粒介质成形工艺中的传压规律，并研究散体颗粒介质在承受压力条件下的传力特性，实现对成形中金属管板材内表面压力分布的准确控制从而有效提高金属管板材成形性能，通过设计固体颗粒介质的单轴压缩试验，得到颗粒介质侧压分布规律，在此基础上，结合非局部摩擦理论建立精确的颗粒介质传压力学模型，得到基于非局部摩擦理论的颗粒介质传压规律，并推导出其轴向传力压力函数表达式。研究结果表明：侧压力与传力距离按照二次函数的规律分布，并随着传力距离增加而下降;颗粒介质轴向传递压力随传力距离增加而逐渐衰减，并且考虑非局部摩擦所得到的理论值较局部摩擦更能接近试验值，而非局部作用接触面半径对结果影响较小。
目前风力机翼型都是考虑单点设计攻角而开发出来，以追求局部气动性能的极大值，而忽略了连续设计攻角范围内翼型整体气动性能。结合翼型泛函集成理论及复杂型线表面曲率光滑连续性思想，提出连续攻角情况下风力机翼型廓线设计新方法，以解决翼型优化设计中其气动力难以收敛这一关键问题，并实现翼型整体气动性能的提高。将连续攻角情况下设计出来的WQ-B翼型与单点攻角情况下设计出来的WQ-A翼型进行了气动性能对比分析;并将WQ-B翼型系列应用到实际2 MW风力机叶片中。研究表明：相比WQ-A翼型及实际叶片，WQ-B新翼型系列及叶片整体性能均有显著提高。该研究不仅验证了该设计方法的可行性，而且也表明WQ-B翼型系列具有广泛的通用性及可置换性。
为克服传统传动滑动螺旋副摩擦因数大、效率低的缺点，提出一种带衬层螺母的创新方案：螺母以钢为基体，衬层为碳纤维织物增强聚合物自润滑复合材料，兼有高的承载能力和低的摩擦因数。研究自润滑复合材料的配方、制备工艺、减摩机理和摩擦学性能。衬层表面的织构形成微润滑池，固-液协同润滑改善了重载下的润滑效果;衬层采用成形加工并在表面形成润滑油道，进一步改善了润滑条件。开发了新型螺旋副的制备工艺并研制了630 kN压力机实用螺母，测试表明，新型螺母较ZCuSn10Pb1青铜螺母的工作性能有较大提高，重载条件下复合材料螺母摩擦因数降低了21.2%，而传动效率提高了10.6%。新型螺旋副的开发，不仅解决了伺服压力机的发展的一个瓶颈问题，而且对于所有采用螺旋传动的机械装备都具有重要的意义。
通过智能采油系统自主分析与决策获取油田机采过程最佳决策参数，对解决机采系统效率低、能耗大等问题具有重要意义。受机械、地层、人为等不确定因素影响，智能采油系统难以构建生产参数、环境变量与系统性能、设定生产方式之间的机理关系并优化决策。为此，提出基于动态演化建模的偏好多目标优化方法，以实现采油系统的自主决策。利用无迹卡尔曼滤波神经网络(Unscented Kalman filter neural network，UKFNN)挖掘机采系统潜在规律，建立其动态模型;构建产液量偏好多目标优化目标函数，并利用非改进支配排序遗传算法(Non-dominated sorting genetic algorithm 2，NSGA2)获取相应的最佳决策参数。某油田试验结果表明：该方法使得系统日耗电量降低15.87%，系统效率提高4.9%。可见，所提方法可行且有效。
代理模型广泛应用于工程优化领域中。提出一种集成最小化置信下限和信赖域的动态Kriging代理模型优化策略，以提高全局收敛性和优化效率。在该优化策略中，利用Maximin拉丁超立方体试验设计方法选取初始样本点建立Kriging代理模型，令置信下限公式中的平衡常数等于已有样本点间的最小距离，并采用遗传算法对置信下限公式进行优化。根据已知信息更新信赖域，在新的信赖域内选取样本点更新代理模型，直至收敛。将该策略应用于数学测试算例和工字梁设计优化实例中，试验对比结果表明该优化策略不仅可以获得最优解，而且能够显著地提高优化效率。
针对没有专用的磨削加工机床和工艺加工新型的微线段齿轮的情况，利用现有的加工设备和检测设备，结合微线段齿轮的特点，提出一套高质量加工该种新型齿轮的方法。其中导出了微线段齿轮磨削曲面的方程、提出了整套的磨削加工工艺，建立了齿廓误差检测方法。通过加工出实际的微线段齿轮，并对其检测齿廓误差以及与渐开线齿轮的效率和振动频谱分 析，证明了该加工方法可以加工出高精度的微线段齿轮，且该种新型齿轮与渐开线齿轮相比有更高的效率和更好的传动平 稳性。
针对自由曲面模具的铣削加工，提出一种综合考虑曲面曲率、刀具前倾角和侧偏角的瞬时铣削力预报方法。基于曲面几何特征，研究了进给方向、行距方向曲率半径对刀具切削角度的影响，以及刀具前倾角和轴向切触角对未变形切屑厚度的影响;基于微分思想，将自由曲面加工中任意刀齿切削周期内的切触区进行离散，结合三维次摆线切削轨迹建立未变形切屑模型，得到适合于自由曲面三轴球头铣削的瞬态铣削力，该模型能够综合考虑曲面曲率特征变化、刀具工件切触角度变化;基于二次曲面模具模型进行铣削加工试验，试验测试结果表明，预报的铣削力和试验测量结果在幅值上和变化趋势上具有 一致性，在平稳切削时最大铣削力预测误差值在12%以内，验证了该方法能有效地预报自由曲面模具的球头铣削的瞬态铣 削力。
检验基于三元切削力机理模型的平底立铣刀尺寸效应，并探索一种简便的切削力系数估算方法。论证了在切削厚度较小时可忽略刀具螺旋角对切削力的影响，据此构建平底立铣刀单个刀齿的三元切削力简化模型。基于该模型，用各齿径向跳动量补偿瞬时切削厚度，用切削试验数据拟合各齿切削力峰值与切削深度及瞬时切削厚度的线性方程式，发现各拟合式的确定系数总体上接近1，表明同一刀齿的切削力系数大体为常数，这意味着平底立铣刀的尺寸效应不显著。据此采用刀具的平均切削力峰值估算切削力系数，该方法不用考虑刀具偏心，且计算比较简便，模拟得到的切削力波形与实测波形相近，表明估算方法比较有效。研究结果可供铣削力尺寸效应机理研究及平底立铣刀应用领域参考。
