为了增加植苗深度、减小移栽穴口宽度、改善水稻钵苗移栽后的直立度，开展了基于纽带形移栽轨迹的移栽机构综合设计及试验研究。

首先，提出一种可减小穴口宽度的纽带形移栽轨迹，并根据移栽机构参数和运动设计要求，对移栽轨迹上的10个关键位姿点进行了姿态分析；其次，将7齿非圆齿轮行星轮系式移栽机构简化为平面2R开链机构，并利用多位姿运动综合理论构建了基于纽带形移栽轨迹的机构数学模型；再次，建立行星架杆长变化最小的目标函数，并利用Matlab软件的App Design模块，基于遗传学算法开发了水稻钵苗移栽机构多位姿运动综合求解软件，获得了移栽机构关键参数的最优解集；最后，利用Adams软件对移栽机构进行了运动学特性的仿真，并加工试验样机，进行了田间移栽试验研究。

仿真结果表明，该移栽机构具有急回特性，且机构各项参数与运动学特性均满足设计要求，其中，植苗深度和移栽穴口宽度分别为22.19 mm和9.78 mm，比相关文献中的对应值分别增加了41.9%和减小了27.9%。田间试验结果表明，水稻钵苗的平均植苗深度为22.84 mm、平均穴口宽度为10.37 mm，直立度的优良率可达93.3%，移栽效果较好。

针对弧齿锥齿轮传动系统仿真分析软件开发所需模型与分析结果的可视化需求，基于锥齿轮传动系统的结构特点，应用图论及面向对象的数据结构，实现了传动系统拓扑结构及零部件关联关系的完整表达。

首先，研究了传动系统关键异构元件几何表面规则化点集的生成方法，并应用开源的三维计算机图形学工具VTK实现了锥齿轮、传动轴和轴承几何模型的精确构建及快速装配；以此为基础，建立了传动系统几何模型与加载接触分析力学模型之间的映射，研究了加载状态下系统变形、齿面啮合状态等分析结果的可视化方法；最后，通过实例对锥齿轮传动系统建模及仿真分析结果的可视化效果进行了验证。

研究表明，综合应用图论及面向对象的数据结构，可实现弧齿锥齿轮传动系统拓扑构型及其几何关联属性的完整表达；应用VTK库的参数表达式造型、扫掠造型以及三角剖分造型方法，可实现异构零部件的精确建模；在此基础上，建立系统几何模型与力学分析模型的映射，完成锥齿轮传动系统加载接触分析，并实现了分析结果的可视化显示。上述研究结果为锥齿轮传动系统建模仿真分析软件的开发提供了技术支持。

为提高磁流变制动器的转矩体积比，提出一种具有内外液流通道的磁流变制动器。

首先，阐述了内外液流通道式磁流变制动器的结构和工作原理，基于Bingham本构模型建立了制动转矩数学模型；其次，基于非支配排序遗传算法（Non-dominated Sorting Genetic Algorithm, NSGA-Ⅱ）对制动器进行优化设计，得到最优结构尺寸；最后，加工磁流变制动器样机并搭建转矩性能测试系统，对制动器进行了制动性能试验。

该制动器具备内外两条液流通道，通过合理设置导磁和隔磁材料，获得了6条有效阻尼间隙，从而使该制动器在外形尺寸不变的前提下具备优良的转矩性能。理论计算结果显示，优化后的制动转矩和可调范围比优化前分别提升了30.23%、16.58%。试验结果表明，当外加电流为2.0 A时，制动转矩最大可达44.28 N·m，动态可调范围为17.88；试验值与理论计算值的相对误差分别为6.5%和16.1%，验证了设计的合理性。

工业机器人行业对RV减速器提出更高的要求，精度寿命体现了减速器传动精度的保持能力，是最重要的设计准则和使用指标之一。为提升精密减速器的精度性能，对可靠性进行评估至关重要。为此，分析了精密减速器的退化特性。

以RV80E减速器为例，提出基于Gamma过程的随机退化模型；结合减速器传动精度的性能退化数据，基于矩阵法和最大似然估计法对模型参数进行了估计；采用振动特征数据建立了基于遗传算法优化的高斯过程回归模型，以优化传动精度的预测。

结果表明，基于高斯过程回归模型的预测精度显著优于传统回归模型；采用算法预测后的结果更新随机退化模型的后验分布参数，能够有效实现对RV减速器精度寿命可靠度的评估，为进一步进行精度寿命的可靠性优化设计奠定了基础。

磁场交替变换会引起机械部件的振动，从而产生噪声。电磁激振力与电磁转矩的波动是造成电磁振动噪声的主要原因。为了分析电磁激振力与电磁转矩波动的产生机制与作用规律，针对一台9对极16槽的开槽盘式异步磁力耦合器，进行了电磁振动噪声分析。

首先，运用磁势磁导法与麦克斯韦应力张量法，推导出气隙磁密和电磁激振力的理论公式；并结合有限元仿真，得到了气隙磁密和电磁激振力傅里叶分解后的各谐波阶次幅值。其次，基于能量法，推导出齿槽转矩的表达式；运用有限元仿真，得到了磁力耦合器运行时产生的齿槽转矩及电磁转矩波动。再次，建立了电磁-结构-声学多物理场耦合模型；运用模态叠加法，得到了磁力耦合器稳定运行时产生的振动加速度与振动位移，并分析了其电磁噪声特征。最后，搭建磁力耦合器试验平台，测试了磁力耦合器稳定运行时的电磁噪声；将试验结果与仿真结果进行比较，以验证理论分析的正确性。

结果表明，低阶电磁激振力是造成磁力耦合器振动的主要原因，且当电磁激振力频率与磁力耦合器固有频率相近时会产生较大振动。对比仿真结果，通过磁力耦合器试验平台得到的试验结果证明了理论分析的正确性。

波发生器作为原动件，其轮廓曲线直接关系着柔轮的变形受力规律。为降低柔轮受力，改善其疲劳性能，提出一种三项余弦凸轮波发生器的设计。

三项余弦波发生器轮廓曲线由基圆半径（常数项）及3个余弦项叠加而成，通过波发生器长轴处曲率、波高及短轴缩进量对曲线参数进行约束控制；在轴承选型后，将长轴处曲率变化系数、短轴修正系数、柔性轴承游隙作为变量参数，分析其对柔轮变形和应力的影响，并对具体型号谐波减速器提出最优设计方案；对新型凸轮结构装入后的柔轮结构进行有限元分析，分别在撑胀、空载以及加载条件下与传统余弦凸轮进行对比，对柔轮受力情况及谐波传动的整体性能进行分析，对该设计方案的合理性进行了验证。

有限元分析结果表明，与传统余弦波发生器相比，三项余弦波发生器作用下的柔轮应力在不同工况下都降低10%以上，有着更小的应力幅值及更平稳的应力变化趋势，具有更长的疲劳寿命及更好的精度保持性能。

开槽盘式磁力耦合器导体盘为开槽结构，使其在运动过程中产生的磁路变得更加复杂多变，增加了电磁转矩的计算难度。为此，建立一种较为可靠的开槽盘式磁力耦合器电磁转矩预测模型，研究其转矩特性。

以一台18极16槽的盘式磁力耦合器为研究对象开展相关分析。首先，运用等效磁路法，将相邻磁路及自身磁路共同作用产生的感应涡流作为一条支路，引入到新的等效磁路模型中；考虑三维端部效应并结合安培定律和基尔霍夫定律，推导了磁力耦合器的气隙磁通和输出转矩表达式；其次，运用有限元仿真软件对开槽盘式磁力耦合器进行模拟分析，得到气隙磁场和感应涡流的分布规律，以及受相邻涡流影响下输出转矩随气隙厚度、转速差的变化规律；最后，搭建相应的试验平台，对理论计算及有限元仿真结果进行了验证。

结果表明，理论计算、有限元仿真与试验的结果基本一致。提出的理论模型具有较高的准确性，能够为开槽盘式磁力耦合器的转矩性能研究提供较为准确的预测模型。

为了解决传统下假肢膝关节阻尼力固定、拟人性差等问题，设计了满足人体下假肢膝关节减振需求的磁流变阻尼器。

通过理论计算，得到了平地行走和平地跑动时膝关节摆动相所需的最大阻尼力，分别为179.6 N和1 377 N；为了适应下假肢的运动状态，设计了满足膝关节摆动相所需阻尼力的减振器；通过数值仿真和试验研究，分析了外磁场扰动和温升效应对磁流变阻尼器动力学特性的影响；并利用下假肢膝关节模拟装置进行了外磁场扰动和温升效应对下假肢膝关节动力学特性影响的试验。

结果表明，随着施加的外扰动磁场磁感应强度的增大，磁流变阻尼器输出的阻尼力增大；在相同条件下，随着磁流变液温度的升高，磁流变阻尼器输出的阻尼力减小；在膝关节的摆动前期和摆动中期的前半阶段，随着外扰动磁场磁感应强度的增大，膝关节运动的滞后性增强，角度误差增大；当外扰动磁场磁感应强度分别为10、20、30 mT时，下假肢膝关节的最大弯曲角度分别为59.0°、57.8°、55.7°，最大角度误差分别达到3.0°、6.8°、11.9°；随着磁流变液温度的升高，膝关节运动的滞后性增强，角度误差增大；当阻尼器温度分别升至30、35、40 ℃时，下假肢膝关节的最大弯曲角度分别为57.1°、54.0°、49.8°，最大角度误差分别达到1.9°、5.1°、9.8°。此结论为基于磁流变阻尼器的下假肢膝关节的设计和优化奠定了基础。

既有的柔性铰链研究都对应着复杂的柔度和回转精度计算式。为了解决该问题，设计了一种新型悬链线形柔性铰链，提出一种用直线段逼近弧段建立铰链柔度和回转精度模型的方法。

首先，将柔性铰链定义为渐缩段与渐扩段的串联组合，将渐缩段中曲线段分割成若干弧段，用直线段逼近弧段；基于卡氏第二定理，计算铰链渐缩段柔度，由矩阵运算建立铰链柔度和回转精度模型；其次，结合具体算例，采用推出公式、文献公式和有限元法计算，当曲线分割段数较大时，计算结果吻合较好，验证了公式正确性；再次，分析了结构参数对悬链线铰链柔度、回转精度和柔度精度比的影响；最后，分析了相同结构参数下悬链线、圆锥曲线及其混合铰链的弯曲柔度和柔度精度比。

结果表明，单一参数对悬链线铰链柔度和回转精度的影响成负相关，减小最薄处厚度是提升其柔度的最佳方式。相同结构参数下，悬链线铰链弯曲柔度和柔度精度比介于抛物线和圆弧形之间。选择柔度大的为渐缩段、柔度小的为渐扩段的混合型铰链可兼顾柔度和回转精度；柔度悬殊越大，越有利于提升柔度精度比。

针对传统磁瓦式磁轮在锅炉爬壁机器人应用中存在的磁场分布不明确、经验公式安全系数冗余、磁铁利用率低及磁轮过重等核心问题，旨在找出磁轮相同体积与质量约束下，N-S交替排布中磁吸力更优的磁瓦排布方案，并明确磁轮压3根与压2根锅炉水冷壁管时的磁场分布差异及磁吸力大小。

以火电锅炉水冷壁检测机器人为例，建立了4种外形尺寸相同但磁铁排布方式不同的磁轮模型；运用Maxwell软件，对4种不同结构形式磁轮在距离火电厂锅炉水冷壁2 mm时的磁吸力进行了仿真分析。

结果表明，磁轮磁瓦拼接处吸附比磁瓦中间处吸附时的磁吸力大5%~20%；在磁瓦中间处吸附时，无论磁轮压3根壁管还是压2根壁管，4块磁瓦排布方式的磁轮磁吸力均最大；磁轮压3根水冷壁管比压2根水冷壁管的磁吸力大10%~20%。