基于调制函数的振动力学模型全参数估计

为提高振动力学模型的精度，课题组对振动力学参数展开研究。基于经典系统力学模型通过在定义域内进行级数展开，重构动力学模型；应用分部积分法及引入调制函数将微分问题转化为关于加速度的积分方程，以便于获取加速度信息作为输入；采用最小二乘法估计刚度、阻尼值，应用雅克比正交级数来表示未知力，从而实现动力学模型全参数的估计。通过估计值和真实值对比验证了课题组所提出的估计方法的准确性。该方法可实现未知参数下的动力学建模，具有一定工程应用价值。     

连续型内窥镜机器人弯曲模型

为了求解内窥镜连续型机器人在驱动下的理论弯曲曲线，课题组建立了以机器人变形单元为对象的弯曲模型。该模型将连续型机器人的整体弯曲问题分解成各段固定丝的变形问题，并以此进行了机器人的正/逆运动学建模；然后依次对驱动丝、固定丝和单节蛇骨之间进行了力学分析，并基于Cosserat杆理论推导出固定丝的弯曲模型，求解出相邻蛇骨间的弯曲角度，得到了机器人的整体弯曲；最后通过MATLAB定点迭代的方式求解了机器人在不同驱动力下的弯曲状态，与16关节样机试验进行了对比。结果表明：误差率最大为6.7%，最小为2.9%，说明了该理论模型的有效性。此模型为内窥镜连续型机器人弯曲求解提供了一种有效的方法。     

U形管内浆体输送特性研究

为了探究通过U形管路输送不同质量分数颗粒的浆体流变特性，课题组对其内部流场进行了研究。通过计算流体动力学软件FLUENT对水平U形管内浆体的流动进行了数值模拟，获得了入口段、出口段及弯头等5个截面处颗粒的速度和体积分数分布情况，并且通过计算分析了速度、颗粒质量分数和管径对弯管压降的影响。研究结果表明：在弯头处二次流的存在，导致弯头局部流动情况变得复杂，使得截面内侧颗粒体积分数高于外侧；管道沿线的压降受流速和颗粒质量分数的影响很大，随着颗粒质量分数的增加，剪切应力和剪切黏度的增加导致压降增大。课题组的研究有助于了解颗粒质量分数和流速对浆体流变的影响。     

基于粒子群优化算法的上下料机械手加工空间优化

针对CNC车床上下料装置在狭小的加工空间进行自动上下料时可能出现的干涉和碰撞等情况，课题组通过粒子群算法(PSO)结合正逆运动学求解，对机械手的运动空间和各关节的运动变量进行优化设计。在已知加工起始点和终止点的情况下，在世界坐标系将各关节的移动量作为自变量，通过粒子群的不断迭代寻优，在设定的边界条件下得到优化结果，并结合蒙特卡洛法进行可视化。本研究能够直观得到机械手的最大移动空间，可将机械手在限制范围内的可移动空间最大化。     

单腿三维跳跃机器人动力学建模及控制

在三维环境中实现连续、稳定和准确地跳跃是单腿跳跃机器人的研究难点，课题组设计了一种质心可准确抵达三维空间中目标位置点的单腿跳跃机器人。基于弹簧加载倒立摆(SLIP)动力学模型，实现了对机器人起跳速度的控制，使可控连续跳跃成为可能；基于反作用轮倒立摆(RWP)动力学模型和角动量守恒定律，实现了在3个惯性尾辅助下的三维姿态实时控制；集成SLIP模型，RWP模型和课题组提出的落地后转向策略，设计了机器人质心可精确到达预期三维目标点的连续跳跃算法。仿真结果表明：该单腿跳跃机器人可实现在三维环境中的连续、稳定和准确跳跃，从而验证了课题组提出的三维跳跃动力学模型及其控制算法的可行性。     

带U型切口的非线性压电能量采集器的动力学仿真研究

针对目前压电采集器采集频带较窄、采集效率较低的问题，笔者在压电采集器中引入磁场构建了非线性振动系统，拓宽了采集器的采集频带。设计了一种带U型切口的非线性压电振动能量采集器；通过建立采集器的理论模型，分析了该采集器的势能系统，并仿真研究了不同激振频率下内梁磁铁与外梁磁铁的水平间距D的改变对采集器输出均方根电压的影响。数值分析发现：减小间距D，可以使该采集器的内、外梁的势能系统从单稳态系统过渡到双稳态系统；并随着间距D的减小，该能量采集器在其谐振频率处输出的均方根电压逐渐增大，但对该能量采集器的有效采集频带影响并不大。该研究表明引入磁场的带U型切口的双悬臂压电梁能有效提高压电能量采集器采集效率。     

非织造布表层形貌观测与拉伸同步测试装置研制

非织造布中纤维细观结构影响其力学性能，为了在非织造布试样拉伸的同时观测纤维细观结构，课题组研制了具备纤维表层形貌观测和非织造布拉伸力学性能测试的一体化装置。基于非织造布国家测试标准及测试要求，设计的装置包括固定夹持模块、运动控制模块、测量模块和数据与图像采集模块；对用到的仪器根据要求进行选型。最后以某水刺非织造布为例进行验证。结果表明：在一定的拉伸伸长率范围内，随着试样拉伸伸长率的增大，拉力呈现非线性增大，名义孔隙率近似线性减小；建立了非织造布细观结构与宏观力学性能间的联系。研制的测试装置具有可行性和有效性。     

基于角点检测的焊缝图像ROI优化提取算法

为了解决焊缝表面缺陷检测中使用点云数据过于庞大而导致检测时间过长的问题,课题组针对Moravec角点检测算法进行优化,使用优化后的角点检测算法对激光中心线进行特征点提取并确定感兴趣区域（region of interest,ROI）。经过实验表明：优化后的角点检测算法能够有效避免伪角点的出现,提高了鲁棒性,同时经过ROI提取后的焊缝点云数据量减少了71.14%。该方法能够有效解决计算基于点云的焊缝表面缺陷检测数据量过大的问题。     

碳纤维复合材料超声振动磨削制孔试验研究

针对碳纤维复合材料在传统钻削过程中存在钻削轴向力过大和制孔质量差的问题，笔者提出了超声振动辅助磨削制孔工艺。该工艺在制孔时磨头既绕自身轴线自转又绕孔中心轴线做圆锥摆动公转，同时在磨头轴向施加超声振动；分析了制孔工艺下刀具的运动轨迹，研究了制孔工艺过程中的切削力、切削温度的变化情况；利用扫描电镜对孔出入口处的加工质量进行观测分析。结果表明：超声振动辅助磨削制孔能有效降低制孔轴向力和切削温度；制孔出口处的纤维撕裂、分层和毛刺等缺陷显著减少，孔壁表面也未出现明显的纤维拔出现象。超声振动辅助磨削制孔工艺为碳纤维复合材料的高质量制孔提供了一种新方案。     

低频环境下碰撞式压电振动能采集器

现实中由于环境振动频带较窄使得能源采集器在低频时效率较低,为此课题组设计了一种可以在低频环境下表现优异的压电能量采集器,并拓宽了其收集频带。采用碰撞方法将采集器进行升频以适应低频环境,采用齿条齿轮传动带动拨片撞击悬臂梁实现动能采集;结合前人的研究完善了欧拉 伯努利梁振动方程,给出在振动过程中悬臂梁的精准位置和振型方程;简化传动模型给出拨片轴的近似运动方程并根据动量定理计算出碰撞前后各部件速度;综合建立整个系统的动力学方程并通过机电耦合方程建立了系统的电学方程。实验验证表明：所设计的采集器比之常规悬臂梁采集器采集频带扩宽了11.23%,输出电压提高了38.2%。所设计的采集器输出电压在低频时可以实现频繁阶跃,大大改进了压电振动能采集器在低频环境下的采集性能,使其更适宜低频环境下的能量采集。