随着人们健康意识的提高和竞技体育的普及，球类运动训练的科技化和专业化已成为发展趋势。在足球训练中，精确的射球轨迹模拟和个性化训练方案设计成为亟待解决的关键问题。为提升足球训练的科学性和有效性，推动足球训练的智能化发展，该文结合射球机构、视觉采集、数据分析和运动控制等技术，提出了基于全向移动的智能弹道轨迹仿真足球辅助训练机器人。首先，构建了足球正向动力学模型；然后，综合考虑空气阻力和马格努斯力等复杂物理因素，设计了基于RMSProp算法的逆向运动学模型，用于求解射球初始参数，使偏航角和俯仰角能够根据目标位置进行精确调整，以实现对目标点的高精度击中；最后，搭建了能够调整射球角度和位置的3轴云台射球机器人并进行了实验。结果表明，该训练机器人在各种训练条件下的射球进球点误差小于0.45 m，理论轨迹与实际轨迹的均方根误差小于7.5 cm，从而验证了该逆向运动学模型在射球场景中的鲁棒性和精确性。此外，该文建立了详细的射球数据集，可为后续的数据科学和人工智能研究提供重要资源。

为提升高减速比准双曲面齿轮的综合传动性能，该文提出了一种基于齿面主动设计技术的齿面接触迹线大倾斜设计方法。首先，预置多个接触迹线倾斜程度不同的齿面印痕，并分别设定其接触椭圆长半轴和接触迹线长度，对小轮共轭齿面进行抛物线修形，得到符合预置齿面参数的齿面；然后，结合齿面接触分析（TCA）和齿面承载接触分析（LTCA）技术，获得各齿面的传动误差幅值（ATE）、承载传动误差幅值（ALTE）、齿面载荷分布情况、齿根弯曲应力幅值及齿面闪温幅值，并分析接触迹线长度的变化对这些性能参数的影响；最后，选取一个最终的目标修形齿面，分析其综合性能，并与原始齿面作比较。算例分析结果表明，对于一副齿数比为5∶75的高减速比准双曲面齿轮，在齿面接触迹线大倾斜情况下，接触迹线长度越长，齿面接触应力越小，齿根弯曲应力与齿面闪温也随之减小；目标齿面边缘接触情况减弱，齿根最大弯曲应力降低12.0%，接触应力分布更均匀，齿面最高闪温下降6.3%，胶合承载能力提升，修形后的目标齿面接触区性能更加优良，承载能力更好，且综合传动性能显著提升。

实时的视觉和精细的力觉融合交互算法是实现虚拟手术训练中精准“手感”的关键。为减少存储空间，提高计算效率，精确计算骨铣削过程中的切削力，平衡视觉和力觉融合的交互效果，该文提出了一种基于Tri-dexel模型的视觉与力觉融合交互算法。首先，采用Tri-dexel模型表示骨与医用铣刀，通过布尔运算、快速表面重建及渲染算法实现虚拟骨铣削操作过程中的实时几何变形计算；接着，结合医用铣刀的几何参数，提出基于微元切削力的骨铣削力觉交互模型，利用骨与医用铣刀Tri-Dexel模型之间布尔运算的结果，快速精确求解瞬时未变形切屑厚度；然后，通过槽切实验完成对切削力系数的辨识，并对该力觉模型进行验证分析，实现虚拟骨铣削操作过程中的力觉渲染；最后，基于上述算法搭建骨科虚拟手术训练系统，通过实验对视觉与力觉融合交互算法进行测试与评估。结果表明：力觉模型的预测结果与实验测量结果吻合较好，力的平均相对误差在7%以下；该算法能够同时满足30 Hz的视觉刷新频率以及1 kHz的力觉刷新频率要求；所搭建的骨科虚拟手术训练系统能够为用户提供高沉浸感的虚拟骨铣削操作训练，可有效提高用户的手眼协调能力。

针对磁轮吸附式水下焊接机器人作业时出现的吸附失稳问题，该文提出了一套基于质心偏移的矢量叠加磁轮临界吸附力计算方法。该方法综合考虑了传统的滑移失效、脱落失效、倾覆失效以及极少被研究的滑转失效等多种失效模式，以有效解决传统吸附力计算精度低所导致的吸附失稳问题。首先，基于机器人底盘结构，建立了4种吸附不失稳对应的静力学模型，并结合静力学耦合关系提出了矢量叠加方法，该方法充分考虑了执行机构运动过程中质心偏移对吸附稳定性的影响，可为磁轮临界吸附力的精确计算提供理论依据；然后，基于现有水下焊接机器人的永磁吸附底盘进行实例计算，通过Matlab求解静力学结果，分析最大质心偏移的底盘在不同空间角度下的临界吸附力变化规律；最后，通过搭建实验场地测试机器人在不同作业工况下的吸附稳定性。实验结果表明，基于质心偏移的矢量叠加方法能有效提高水下焊接机器人的吸附稳定性，为后续磁吸附底盘的设计和磁力优化提供了新的理论支持。

磨齿、喷丸、表面光饰等齿轮表面处理技术会在材料内部产生残余应力，同时，金属材料中不可避免地存在杂质，残余应力与杂质对齿轮的接触疲劳寿命均有显著影响。为有效评估齿轮的接触疲劳风险，该文提出了一种综合考虑残余应力与杂质共同作用的数值模型。该模型使用等效夹杂法将齿轮内部的杂质转化为含本征应变的夹杂，并在位移方程中考虑了杂质与残余应力的耦合作用。研究过程中，计算了残余应力与杂质作用下的应力分布，并通过有限元法对模型进行了验证；使用Dang Van准则计算了等效应力，并将其代入Lundberg-Palmgren寿命模型，计算了齿面接触疲劳的最小循环次数，分析了残余应力、杂质等对齿轮接触疲劳寿命的影响规律。分析结果表明：杂质对齿轮接触疲劳寿命的影响远远大于残余应力的影响，且对疲劳最早出现的啮合位置具主导性；残余拉应力与杂质共同作用下，次表层最大应力增大且位置向材料表层偏移，齿轮更容易发生接触疲劳。

近红外光学跟踪系统能够根据附着于被跟踪物体上的反光标记球实时还原被跟踪物体的运动，目前已被广泛应用于多种领域。该研究提出了一种对目标丢失具有一定鲁棒性的多目近红外目标实时跟踪方法。首先，针对反光标记球在近红外相机中的成像特性，利用灰度质心法提取各个反光标记球的几何中心，然后在各单目相机中使用SORT算法作为多目标跟踪方法对各个标记点进行帧间匹配，并根据对极几何原理，结合带权二分图匹配方法确定反光标记球在各个相机中像点的匹配关系，依据三角测量方法实时计算各个受跟踪反光标记球的三维空间坐标；其次，根据运动过程中各反光标记球之间的空间位置关系对反光标记球进行分组，识别属于同一物体的反光标记球，并根据同组反光标记球间的欧氏距离建立被跟踪物体与反光标记球的外观特征向量，以此作为物体丢失重现的匹配依据，而完全丢失后再重现的被跟踪物体利用外观特征向量的余弦距离进行重匹配；最后，对所提方法进行实验验证。实验结果表明：所提方法在不小于60 f/s的帧率下的跟踪精度约可达0.5 mm；另外，其可以对丢失的重现物体以及反光标记球进行正确的重匹配。

采用计算流体动力学（CFD）方法对气体轴承-转子系统进行流场特性仿真时，气膜厚度是至关重要的结构参数之一，但零件加工过程中产生的形状、尺寸误差以及系统装配造成的偏差等，会导致实际气膜与理想设计气膜在空间形貌及尺度上存在一定的偏差，进而影响数值计算结果的可靠性及准确性。为此，该文首先提出了流场有效气膜厚度的概念，通过双向流固耦合数值仿真与实验结果的对比分析及修正，最终确定合理的等效气膜厚度。研究结果表明：采用双向流固耦合数值仿真方法可揭示气膜流场瞬态特性及转子姿态的变化规律，并对气体轴承-转子系统是否能够安全运行进行预判和评估，节省了实验测试成本；采用转子倾斜角作为对比分析特征，为数值仿真结果和实验测试结果之间的系统性能偏差分析提供了直观的参考依据；等效气膜厚度的建立可最大程度上简化数值仿真模型，提高数值仿真效率，同时其结果又具有一定的可靠性；以供气压力0.6 MPa、单边稳态力80 N为例，通过误差分析和逼近，循环建立和修正流固耦合仿真模型中预估的等效气膜厚度，最终将系统倾斜角的相对误差控制在5%以内，极大地提高了数值仿真结果与实际工程系统性能的一致性，进而为气体轴承-转子仿真系统在结构设计、性能预测及评估中的应用提供了可靠方法及依据。

液压作动器中串联多级流道式磁流变阻尼器（MFC-MRD）可有效改善液压阀控缸系统的欠阻尼特性，提高系统的稳定性，该技术在足式机器人、挖掘机等装备中具有潜在的应用价值。但MFC-MRD的高功率密度设计必然会增加阻尼流道的有效长度，进而增大系统的阻尼力，导致现有动力学模型无法精确描述MFC-MRD的非线性滞回特征。为改善MFC-MRD的非线性滞回特性，该文基于力学性能试验，通过分析多级流道结构及非线性滞回曲线特征，对双曲正切曲线进行分割重组，进而提出了符合滞回特性的改进双曲正切模型；在参数辨识过程中，为避免模型参数陷入局部最优和“早熟”，对遗传算法的选择算子进行改进，进而提出了一种三级逐步逼近的选择算子，提高了模型参数的辨识精度，并依据力学实验数据，精确地获得了模型参数与电流的关系。模型对比结果表明，相较于Bouc-Wen模型和数据驱动式模型，该文建立的改进双曲正切模型的精度最高可提高75%，能准确地描述MFC-MRD存在的非线性滞回特性，具有较高的精确性。

自动特征识别是智能制造的关键技术之一。传统的基于规则的识别算法可扩展性较差，而基于深度卷积网络的方法以离散模型为输入，准确度不高，且识别结果难以精确映射回原始计算机辅助设计（CAD）模型，造成应用不便。针对上述不足，该文提出了一种基于图神经网络的、能够直接处理边界表示（B-Rep）模型的加工特征识别方法。该方法首先从B-Rep结构中提取有效的属性和几何信息，形成特征描述符；接着根据CAD模型拓扑结构建立具有高级语义信息的邻接图；进而以邻接图为输入，构建高效的图神经网络模型，通过引入可微的广义消息聚合函数和残差连接机制，提升模型的信息聚合及多层级特征捕捉能力，同时采用消息归一化策略确保训练稳定性并加速收敛；训练完成后，网络能对B-Rep模型中的所有面进行分类标注，实现特征识别。将该方法在公共数据集MFCAD++上进行测试，取得了99.53%的准确率和99.15%的平均交并比，说明该方法优于现有的同类研究成果。采用更复杂的测试用例和工程应用中的典型真实CAD案例作进一步检验，结果均表明该方法具有更好的泛化能力以及更强的适应性。

模具及各类三维零件的数控加工包含了大量型腔的加工，型腔加工轨迹的设计会直接影响加工质量与效率。随着高速铣削技术的进步，数控机床为提高型腔加工效率提供了硬件基础，但也对CAM轨迹设计提出了更高要求。传统的CAM轨迹在处理型腔拐角、开槽和加工内外环轨迹交汇等区域时，容易导致切削负载突变，这种负载不稳定性限制了进给速度和切削深度的提升，影响了加工效率和质量。鉴于此，该文提出了一种面向型腔恒负载加工的组合轨迹设计与进给速度优化方法。该方法基于多层次区块结构，首先计算材料去除率，并据此将加工区域划分为稳定、半稳定和负载突变区域。针对不同区域，采用环切轨迹、进给速度优化以及变半径摆线轨迹相结合的策略，实现加工过程中负载的平稳控制，特别是通过在负载突变区域应用摆线轨迹，降低了瞬时负载的波动，确保了加工过程的稳定性。实验结果表明，该文提出的轨迹设计与进给速度优化方法能够适应各类复杂型腔的CAM轨迹生成，并保障加工过程的负载稳定性，进而提高加工质量。

现有应急救援装备功能单一、灵活性不高，难以满足地震等地质灾害下的复杂应急作业需求。鉴于此，该文设计了一种可实现属具快速切换及位姿自由调整的机电液快换装置，该装置可快速集成到应急救援装备上完成高机动、多功能救援作业任务。首先，模拟分析了快换装置的极端受载特性及工作过程中的应力、应变情况，确定了装置的薄弱位置及载荷谱；然后，推导建立了确定性与随机性周期应力作用下考虑循环损伤强度退化的可靠性理论模型，明确了快换装置回转机构可靠度与失效率的映射关系；接着，基于线弹性断裂力学分析了倾斜油缸活塞杆薄弱件的裂纹扩展情况，采用局部应力应变法确定了快换装置的疲劳寿命，确保快换装置满足使用要求；最后，将快换装置集成到步履式救援机器人上进行测试和验证。结果表明，该快换装置可实现挖斗、抓手等各种属具的快速切换，切换时间小于15 s，同时增加了±40°的偏摆和±360°的旋转自由度，可满足多自由度灵活作业需求。该文研究成果可为同类快换装置的设计提供理论参考。

冷再生机作为沥青路面再生施工的关键设备，能够实现就地再生，提高施工效率。冷再生机在喷洒泡沫沥青时，存在喷口容易积聚沥青且各喷口流量不均的问题。为解决上述问题，需提升泡沫沥青喷口压力减少沥青积聚，均衡各个喷口流量。该文从沥青发泡行为本质出发，在多相流混合理论的基础上，考虑沥青发泡过程中沥青黏变与水的相变，将沥青的黏温特性函数与水的相变函数引入计算模型，对流体体积（VOF）模型进行修正，建立沥青发泡行为控制模型。其次，数值模拟沥青发泡过程中的喷口压力与流量，并与实验进行对比，得到该沥青发泡行为控制模型在喷口压力与流量方面的误差分别为9.2%、7.7%。最后，在上述沥青发泡行为模型的基础上，构建关于泡沫沥青喷洒装置的数值仿真模型，按照设计的实验方案数值模拟泡沫沥青喷洒过程。根据模拟结果，在Isight平台中构建Kriging代理模型，进而建立以提升喷口压力、减小各喷口质量流量差为目标的多目标优化模型，并运用NSGA-Ⅱ算法对构建的多目标优化模型进行求解。最终，得到Pareto解集并对其进行分析。结果表明，当沥青管径为0.74a、发泡水管径为0.58b、泡沫沥青喷口直径为0.6c、泡沫沥青喷口个数为d时，泡沫沥青喷洒装置性能最优。在考虑沥青发泡行为特点的前提下，通过提升喷口压力，均衡各个喷口流量，提升了泡沫沥青喷洒装置性能。

针对当前永磁球型关节普遍存在电磁驱动结构复杂，耦合磁场建模困难，磁矩奇异性，抵抗外界扰动能力不足等问题，依据永磁体转子轴线始终趋于磁场旋转轴线的旋转定轴效应，研制了一种以内置全悬浮永磁体转子的万向随动机构为主体的永磁柔性直驱球型关节。球型关节的定子由两组鞍形线圈和一组亥姆线圈三轴正交嵌套而成。为解决磁矩控制变量冗余问题，采用磁场旋转轴线侧摆、俯仰角为独立控制变量的三相电流公式叠加空间万向旋转磁场，实现磁场内同步旋转永磁体转子侧摆、俯仰磁矩解耦和在空间万向磁场旋转轴线导引下的永磁球型关节侧摆、俯仰两自由度运动。进而，用Lyapunov函数证明系统稳定性，采用基于模糊算法优化的非奇异快速终端滑模控制方法抑制抖振和降低输出端轨迹误差。模拟结果验证了模糊优化滑模控制器的有效性。相比未模糊优化滑模控制方法，存在外界扰动时，优化模糊控制器通过切换增益进行自适应调整，能有效抑制系统控制输入产生的抖振，并提高轨迹跟踪速度，降低跟踪误差。仿真和试验表明，球型关节电磁结构简单，磁场解析建模便利，电流输入变量与磁矩输出变量一一对应，抗干扰能力和抖振抑制效果良好，实现了球型关节期望轨迹的快速跟踪，动态跟踪性能良好，改善了复杂环境的适应性。

为探究轨道用中空薄壁大小幅铝型材的挤压规律，采用HyperXtrude仿真软件对型材的挤压过程进行了详细的数值模拟，分析模具结构和工艺参数的影响，并对比了2个形状相似的大幅型材和小幅型材的成型规律。结果表明：在模具结构方面，焊合室与引流槽对大小幅型材的影响最为明显，其中焊合室的变化对小幅型材的最大变形量有更明显的降低效果，降幅达42.82%，而大幅型材的降幅为25.34%；引流槽的变化则表现出不同的影响趋势，引流槽变化后，大幅型材的最大变形量降幅为40.88%，而小幅型材的为24.72%，其原因是小幅型材的引流槽较短，大幅型材引流槽的修改则更为复杂，故引流槽变化对大幅型材的影响更为显著。在工艺参数方面，分析了不同条件下型材金属变形量、金属流速和型材出口截面流速均方差的变化，发现挤压速度和模具温度对大幅型材的影响更为显著，而坯料直径对小幅型材的影响更为显著。该文研究结果为优化铝型材的挤压工艺提供了理论依据。

为揭示铸&锻高温合金GH4198锯齿形切屑的成形机理，并通过理论模型预测切屑形貌，开展了直角切削实验，再基于滑移线场模型预测切屑的几何形状，分析切削参数对切屑成形的影响。提出了考虑刀具钝圆半径的三阶段锯齿形切屑成形模型，建立了二维正交切削的热力耦合有限元模型，并通过实验验证有限元模型的合理性。基于仿真得到的切屑形成过程的应力、等效塑性应变和温度等参数的变化，分析了锯齿形切屑的成形机理。结果表明：剪切角随切削速度和进给量的增加而增大，切屑厚度随切削速度的增大而减小；切削速度为10、20和30 m/min时，切屑厚度预测值的相对误差分别为4.20%、12.34%和24.73%，最大切屑厚度压缩比分别为3.19、2.78和2.26，切屑锯齿化程度分别为0.20、0.36和0.58；切削速度为30 m/min时，切屑出现明显裂纹，且锯齿齿形整体倾斜；刀具进给量为0.05、0.10和0.15 mm/r时，最小切屑厚度预测值的相对误差分别为17.66%、8.66%和5.07%，最大切屑厚度压缩比分别为2.82、2.78和2.61，切屑锯齿化程度分别为0.12、0.36和0.42；滑移线场模型能有效预测切屑厚度随切削参数的变化；随切削速度和进给量的增大，切屑厚度压缩比呈减小趋势，锯齿化程度增大且增大趋势逐渐减缓。该文还通过有限元仿真分析了刀具钝圆半径对切屑成形的影响，验证了锯齿形切屑成形理论模型的有效性。

钢轨打磨是一种利用高速旋转的砂轮去除钢轨表面疲劳层的技术。当打磨砂轮钝化后，一般会出现材料去除效率降低和磨削区域温度升高等问题。为避免上述问题对打磨作业的负面影响，需及时更换寿命到限的砂轮。该文提出一种基于神经网络的钢轨打磨砂轮磨损程度与寿命预测方法，以合理地确定砂轮更换时机。该方法原理如下：采集与砂轮连接的电机主轴轴向加速度信号，并基于该信号提取出描述砂轮磨损程度的特征参数。对特征参数进行Z-Score变换，去除特征参数量纲并提高各参数间的可比性。利用XGBoost算法依据各特征参数的平均增益大小进行筛选，选择与寿命强相关的特征参数作为分析对象进一步处理。以磨损时间与砂轮磨损量融合策略作为判断砂轮磨损程度与寿命的标准。搭建神经网络建立筛选后的特征参数与砂轮磨损量、砂轮厚度的映射关系。利用试验装置获得伴随砂轮钝化的试验数据，将数据划分为相互独立的训练集与验证集，分别对搭建的神经网络进行训练与验证。结果表明，该方法在训练集与验证集中的判断正确率与预测精度基本持平。在验证集中，对砂轮磨损程度的判断正确率为87.9%，判断错误样本主要集中在磨损程度变化的过渡区间；对砂轮寿命的预测精度为-5.3%。不同打磨工艺参数下，该方法具有一定的通用性。

火箭助推零长发射是无人机发射的重要形式，发射角度、助推器夹角、助推器推力等发射参数的选取直接关系到无人机发射任务的成败。无人机火箭助推零长发射在设计阶段借助工程经验选取发射角度、助推器夹角、助推器推力等关键参数时，存在发射参数迭代择优周期长、设计交互性差、容易造成无人机飞行姿态失稳的问题。该文以某无人机为研究对象，对其发射阶段进行动力学及运动学建模，构建了六自由度非线性模型，基于QT/C++软件编制无人机发射弹道参数化仿真软件，并结合某无人机真实发射试验数据，验证该发射弹道仿真软件的有效性。同时，为解决发射参数自主择优问题，在反向传播（BP）神经网络参数预测模型的基础上引入麻雀搜索算法（SSA）、粒子群优化算法（PSO）、遗传算法（GA）优化模块，提出基于SSA优化BP神经网络的无人机发射参数寻优方法，消除BP神经网络在参数预测过程中存在的过拟合及局部最优效应，对参数预测结果求绝对误差（MAE）、平均百分百误差（MAPE）、均方根误差（RMSE），综合评估SSA-BP对发射参数预测的优越性，并通过发射弹道校核验证发射参数选取的合理性。结果表明，SSA-BP模型对发射参数的预测精度最高、鲁棒性最好，可为无人机发射分系统工程设计阶段的发射参数自主择优选取提供设计依据。

电子产品微型化、轻薄化、低成本的发展需求，给散热模组的设计制造带来极大挑战。为解决轻薄型高性能路由器以及小型电子器件散热难题，在光滑铝板散热器基础上设计了6种具有表面微功能结构的铝板散热器，并根据新设计的铝板散热器搭建实验测试平台，分别在自然对流和微对流工况下，对比分析所设计的6种新型铝板散热器相对于光滑铝板散热器散热性能的提升效果。结果表明：自然对流工况下，热源功率在3.0~6.0 W时，方形针翅式铝板散热性能最优，相比于光滑表面铝板，平均努塞尔数提高约18%，传热系数与传热面积乘积提高约17%，热源温度降低约2.0 K；圆形针翅式铝板相较于光滑表面铝板，平均努塞尔数提高7%，传热系数与传热面积乘积提高约5%，热源降低约1.3 K；表面处理后，喷砂型方形针翅式铝板可使热源温度降低2.0~3.9 K，纳米碳层方形针翅式铝板可使热源温度降低5.3~8.6 K；喷砂型圆形针翅式铝板可使热源温度降低1.9~2.5 K，纳米碳层圆形针翅式铝板可使热源温度降低4.9~7.7 K。在风速2 m/s微对流工况下，圆形针翅式铝板散热性能最优，相比于光滑表面铝板，平均努塞尔数提高约8%，热源在6.0 W时温度可降低3.6 K，热阻降低18%；方形针翅式铝板，相比于光滑表面铝板，平均努塞尔数提高约6%，热源在6.0 W时温度可降低2.4 K，热阻降低11%。热源功率越高，具有表面微功能结构铝板相较于光滑表面铝板散热性能越好。