申請(qǐng)代碼受理部門(mén)收件日期受理編號(hào)國(guó)家自然科學(xué)基金申 請(qǐng) 書(shū)2017資助類(lèi)別： 面上項(xiàng)目 亞類(lèi)說(shuō)明： 附注說(shuō)明 項(xiàng)目名稱(chēng)：二元超冗余機(jī)器人構(gòu)型綜合及動(dòng)力學(xué)特性分析研究 申 請(qǐng) 者： 電話(huà)： 依托單位： 通訊地址： 郵政編碼： 單位電話(huà)： 電子郵件： 申報(bào)日期： 2018年12月15日 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)基本信息申 請(qǐng) 人 信 息姓名性別男出生 年月 民族漢學(xué)位職稱(chēng)無(wú)每年工作時(shí)間（月）電話(huà)電子郵箱 傳真國(guó)別或地區(qū)中國(guó)個(gè)人通訊地址工作單位主要研究領(lǐng)域機(jī)電一體化，機(jī)電傳動(dòng)依托單位信息名稱(chēng)武漢理工大學(xué)聯(lián)系人宋彥寶電子郵箱 J電站地址 合作研究單位信息單 位 名稱(chēng) 在此錄入修改 在此錄入修改項(xiàng)目基本信息項(xiàng)目名稱(chēng) 二元超冗余機(jī)器人構(gòu)型綜合及動(dòng)力學(xué)特性分析研究英文名稱(chēng)面上項(xiàng)目資助類(lèi)別 亞類(lèi)說(shuō)明附注說(shuō)明 申請(qǐng)代碼 E050201機(jī)械傳動(dòng)E050601設(shè)計(jì)理論與方法基地類(lèi)別 研究期限 2018年12月2019年12月研究方向申請(qǐng)經(jīng)費(fèi)30萬(wàn)中 文 關(guān) 鍵 詞并聯(lián)機(jī)構(gòu)，型綜合，動(dòng)力學(xué)，二元驅(qū)動(dòng)英 文 關(guān) 鍵 詞Parallel mechanism, type synthesis, dynamics, binary drive經(jīng)費(fèi)申請(qǐng)表 （金額單位：萬(wàn)元）序號(hào)科目名稱(chēng)金額 備注（計(jì)算依據(jù)與說(shuō)明） （1）（2）（3）1一、項(xiàng)目資金支出 302（一）直接費(fèi)用2531.設(shè)備費(fèi)104（1）設(shè)備購(gòu)置費(fèi)4.05（2）設(shè)備試制費(fèi)4.06（3）設(shè)備改造與租賃費(fèi)2.072.材料費(fèi)5.083.測(cè)試化驗(yàn)加工費(fèi)1.594.燃料動(dòng)力費(fèi)1.5105.差旅費(fèi)2.0116.會(huì)議費(fèi)1.5127.國(guó)際合作與交流費(fèi)2138.出版/文獻(xiàn)/信息傳播/知識(shí)產(chǎn)權(quán)事務(wù)費(fèi)0.5149.勞務(wù)費(fèi)1.01510.專(zhuān)家咨詢(xún)費(fèi)01611.其他支出017(2)間接費(fèi)用518其中：績(jī)效支出519二、自籌資金0報(bào)告正文一）立項(xiàng)）依據(jù)與研究?jī)?nèi)容（4000-8000 字）：1. 項(xiàng)目的立項(xiàng)依據(jù)（研究意義、國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究發(fā)展趨勢(shì)來(lái)論述科學(xué)意義；或結(jié)合國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問(wèn)題來(lái)論述其應(yīng)用前景。附主要參考文獻(xiàn)目錄）l 項(xiàng)目背景及研究意義在人類(lèi)認(rèn)識(shí)世界、改造世界的發(fā)展進(jìn)程中，作為重要手段和工具的機(jī)器人正面臨越來(lái)越多的新挑戰(zhàn)。對(duì)于相當(dāng)多的任務(wù)而言，人們希望開(kāi)發(fā)出輕質(zhì)、控制簡(jiǎn)單、成本低、魯棒性強(qiáng)、高精度的機(jī)器人。目前，大多數(shù)機(jī)器人系統(tǒng)都屬于連續(xù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)，即機(jī)器人中各關(guān)節(jié)都可作連續(xù)運(yùn)動(dòng)，而且使用連續(xù)驅(qū)動(dòng)器，如電機(jī)、液壓缸等。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的高精度和高重復(fù)運(yùn)動(dòng)精度，必須使用復(fù)雜且昂貴的控制系統(tǒng)和傳感器，從而帶來(lái)系統(tǒng)復(fù)雜性加大、重量、成本和能耗增加，可靠性降低等副作用。為了減少或去除這些副作用，各國(guó)學(xué)者提出了各種理論與方法，在過(guò)去的十余年中(1994-2005)，二元驅(qū)動(dòng)技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的二元超冗余機(jī)器人(Binary Hyper Redundant Robot)逐漸顯示出良好的前景和可觀的應(yīng)用潛力，成為當(dāng)前國(guó)際機(jī)器人學(xué)界的前沿研究主題之一1,523。MIT (麻省理工學(xué)院)的Dubowsky教授，JHU(約翰霍普金斯大學(xué))的Chirikjian教授等學(xué)者認(rèn)為，二元驅(qū)動(dòng)對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)的影響可能會(huì)如同數(shù)字電路對(duì)電子系統(tǒng)的影響一般深遠(yuǎn)1,20。二元驅(qū)動(dòng)器(Binary actuator)是離散驅(qū)動(dòng)器中特殊的一類(lèi)，只具有兩個(gè)離散的穩(wěn)定狀態(tài)，即0或1，對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)極限位置，例如電磁鐵。圖1所示為MIT的S.Dubowsky研究組開(kāi)發(fā)的二元驅(qū)動(dòng)器。 圖1. MIT S.Dubowsky研究組開(kāi)發(fā)的二元驅(qū)動(dòng)器二元超冗余機(jī)器人則是由多個(gè)二元驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)器人模塊串聯(lián)而成，如圖2所示為MIT S.Dubowsky研究組開(kāi)發(fā)的以3-RRS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為模塊的二元超冗余機(jī)器人16-20，在每個(gè)RRS分支運(yùn)動(dòng)鏈中有一個(gè)二元驅(qū)動(dòng)器，這樣動(dòng)平臺(tái)的工作空間由23個(gè)點(diǎn)組成，每個(gè)點(diǎn)上姿態(tài)是確定的，如圖3所示16。由于單個(gè)二元機(jī)器人工作空間位姿有限，為了完成一定的操作任務(wù)，必須將多個(gè)二元機(jī)器人模塊串聯(lián)成二元超冗余機(jī)器人。因此二元超冗余機(jī)器人的工作空間是一個(gè)離散的點(diǎn)集，包含2n個(gè)點(diǎn)，n是驅(qū)動(dòng)器數(shù)。如果不考慮驅(qū)動(dòng)方式，純粹從機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)看，二元超冗余機(jī)器人屬于串并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但卻和同為串并聯(lián)機(jī)構(gòu)的變幾何桁架機(jī)構(gòu)有本質(zhì)的區(qū)別。圖2. MIT S.Dubowsky研究組開(kāi)發(fā)的二元超冗余機(jī)器人圖3. 3-RRS 二元并聯(lián)機(jī)構(gòu)的8個(gè)位姿和傳統(tǒng)的連續(xù)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)相比，二元機(jī)器人系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于：不需要反饋控制、定位精度和重復(fù)定位精度高、低成本、輕質(zhì)、高負(fù)載能力、更簡(jiǎn)單的計(jì)算機(jī)控制接口、魯棒性強(qiáng)(部分驅(qū)動(dòng)器失效后仍能完成操作)；其缺點(diǎn)在于：離散的工作空間、運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解運(yùn)算量極大等1,20?？偟膩?lái)說(shuō)，二元超冗余機(jī)器人從概念形成到研究展開(kāi)不過(guò)僅僅十幾年，在星際探索、醫(yī)療、精密操作等方面都有著良好的應(yīng)用前景，如MIT野外與空間機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的S.Dubowsky教授連續(xù)獲得NASA(美國(guó)國(guó)家航天局)先進(jìn)概念計(jì)劃的資助，正在研究二元超冗余機(jī)器人在星際探索中的應(yīng)用，如作為步行機(jī)的足以適應(yīng)行星上復(fù)雜的地形，或作為機(jī)械臂等，如圖4所示。目前二元超冗余機(jī)器人屬于一項(xiàng)前瞻性的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在國(guó)際上方興未艾，國(guó)內(nèi)基本尚為空白，及時(shí)地開(kāi)展相關(guān)研究，有助于盡早取得理論和關(guān)鍵技術(shù)上的自主創(chuàng)新，占據(jù)此新興領(lǐng)域的制高點(diǎn)。 圖4. MIT二元超冗余機(jī)器人在星際探索中的應(yīng)用l 二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析u JHU Chirikjian團(tuán)隊(duì)研究工作1,514Chirikjian等對(duì)二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的研究主要集中于運(yùn)動(dòng)學(xué)，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正解8、運(yùn)動(dòng)學(xué)反解6,9,13,14、工作空間6,9、參數(shù)綜合5,10-11和軌跡規(guī)劃7等，其建造的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模塊有兩種，一種是平面變幾何珩架機(jī)構(gòu)；一種是Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并以氣缸作為二元驅(qū)動(dòng)器，結(jié)構(gòu)較為粗笨。二元超冗余機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)正解相對(duì)簡(jiǎn)單，Lee和Chirikjian8提出一種基于齊次變換的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解計(jì)算方法。對(duì)二元機(jī)器人系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解是通過(guò)搜索二元機(jī)器人的位姿空間得到和期望姿態(tài)誤差最小的末端操作手位姿。Chirikjian等提出了基于工作空間點(diǎn)密度的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解算法6,9,13,14，這種方法將工作空間離散成一定數(shù)目的單元，然后對(duì)每個(gè)單元分別計(jì)算工作空間點(diǎn)密度。盡管該方法速度很快，但離散工作空間需要占用大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存。為了避免內(nèi)存瓶頸的影響，Suthakorn和Chirikjian又提出只考慮工作空間中心的改進(jìn)算法12，但該算法的準(zhǔn)確性嚴(yán)重依賴(lài)于機(jī)器人單元模塊的形狀和工作空間的位姿。文獻(xiàn)5對(duì)二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的工作空間和參數(shù)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)10使用歐氏群上的傅立葉變換對(duì)二元機(jī)器人進(jìn)行尺度綜合；文獻(xiàn)11 通過(guò)離散運(yùn)動(dòng)群上的傅立葉變換來(lái)快速計(jì)算二元機(jī)器人的位姿和工作空間。u MIT Dubowsky 團(tuán)隊(duì)研究工作15-20Dubowsky在美國(guó)國(guó)家航天局先進(jìn)概念研究所(NASA Institute for Advanced Concepts)資助下，正在研究以星際探索為應(yīng)用背景的二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)。Dubowsky等提出了二元機(jī)器人驅(qū)動(dòng)智能裝置BRAID(Binary Robotic Articulated Intelligent Device)的概念，并進(jìn)行了大量相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究15-20。BRAID實(shí)際上就是以多個(gè)采用嵌入式二元驅(qū)動(dòng)器和柔性鉸鏈的3自由度3-RPS并聯(lián)機(jī)構(gòu)為模塊，串聯(lián)構(gòu)成面向不同任務(wù)的二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)，具有輕質(zhì)、簡(jiǎn)單、魯棒等優(yōu)點(diǎn)?？捎米鞑叫袡C(jī)足，兩臺(tái)火星車(chē)之間的連接器、機(jī)械手等。文獻(xiàn)15提出將二元驅(qū)動(dòng)機(jī)器人用于空間探索，介紹了相關(guān)5項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究，其中一項(xiàng)即為BRAID；文獻(xiàn)16則對(duì)基于BRAID的二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器及控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)等做了研究。值得注意的是，文獻(xiàn)16中提出一種基于遺傳算法的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法，由于二元機(jī)器人系統(tǒng)的本身固有的“0/1”特性，遺傳算法在運(yùn)動(dòng)學(xué)反解中很有應(yīng)用潛力，但目前研究尚未深入。文獻(xiàn)15,16中的實(shí)驗(yàn)裝置都采用了記憶合金二元驅(qū)動(dòng)器。文獻(xiàn)17,18研究了使用介質(zhì)聚合物二元驅(qū)動(dòng)器的BRAID的運(yùn)動(dòng)學(xué)，驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化等。文獻(xiàn)19研究了模塊化可重構(gòu)的BRAID及電磁二元驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)20則是對(duì)以前工作的階段性介紹。u 其他研究工作21-23Zanganeh和J. Angeles提出基于樣條曲線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法21；Kim等提出基于連續(xù)變量?jī)?yōu)化方法的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法22。此外、我國(guó)學(xué)者馬培蓀等研制了離散驅(qū)動(dòng)的6自由度蛇形柔性臂，并對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)23，但其模塊使用的并非并聯(lián)機(jī)構(gòu)?？v觀以上研究，目前國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究都主要集中在二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解、工作空間等方面，理論研究和實(shí)驗(yàn)結(jié)果業(yè)已證明少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)適合作為二元超冗余機(jī)器人的模塊 15-20，然而，二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)中許多機(jī)構(gòu)學(xué)基本問(wèn)題的研究尚不深入，有的甚至無(wú)人涉足，現(xiàn)分別評(píng)述如下：(1) 缺乏二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型綜合和優(yōu)選研究機(jī)構(gòu)構(gòu)型是決定機(jī)構(gòu)性能的根本因素，作為二元超冗余機(jī)器人模塊單元的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合已取得重大突破，我國(guó)機(jī)構(gòu)學(xué)家黃真24、楊廷力25、高峰26、方躍法27等在這一方面做了大量開(kāi)拓性的工作，取得了國(guó)際領(lǐng)先的地位。但目前構(gòu)型綜合的首要目標(biāo)是綜合出連續(xù)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，而將瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為型綜合的副產(chǎn)品剔除掉。一般認(rèn)為，瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)僅能用于某些微操作任務(wù)。目前在國(guó)際并聯(lián)機(jī)器人學(xué)界和工業(yè)界，對(duì)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用少之又少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于連續(xù)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。選準(zhǔn)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)適宜的應(yīng)用場(chǎng)合，盡早開(kāi)展相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究，將很有希望在這一基本空白的領(lǐng)域取得自主創(chuàng)新。瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在發(fā)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)后，動(dòng)平臺(tái)的自由度數(shù)目或性質(zhì)將發(fā)生變化。在連續(xù)驅(qū)動(dòng)下，瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)有無(wú)窮多個(gè)位形的自由度需要判定；而在二元驅(qū)動(dòng)條件下，瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)只有2n個(gè)位形(n為單個(gè)模塊中二元驅(qū)動(dòng)器數(shù)， 3n5)，在每個(gè)位形下機(jī)構(gòu)的自由度都可以通過(guò)螺旋理論確定，為瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用掃請(qǐng)了最大的障礙，因此，本項(xiàng)申請(qǐng)?zhí)岢鰧⑺矔r(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為二元超冗余機(jī)器人的模塊。不但開(kāi)辟了瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的全新應(yīng)用領(lǐng)域，也將豐富二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型。對(duì)二元超冗余機(jī)器人來(lái)說(shuō)，目前只是簡(jiǎn)單地選取一種少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)，如3-RRS，然后將數(shù)個(gè)相同并聯(lián)模塊串聯(lián)來(lái)構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。尚未有人系統(tǒng)地研究何種并聯(lián)構(gòu)型適合用作二元超冗余機(jī)器人的模塊、根據(jù)何種判據(jù)選取合適的模塊、以及用模塊構(gòu)建系統(tǒng)的方式等。因此，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合理論基礎(chǔ)之上研究二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型綜合方法和拓?fù)湫阅埽哂兄匾睦碚搩r(jià)值和實(shí)際意義。(2) 缺乏二元超冗余機(jī)器人運(yùn)動(dòng)敏感性研究；運(yùn)動(dòng)敏感性是指并聯(lián)機(jī)器人的自由度和運(yùn)動(dòng)特性受制造誤差、裝配間隙以及桿件彈性變形的影響程度。運(yùn)動(dòng)敏感性強(qiáng)，或者說(shuō)運(yùn)動(dòng)魯棒性差的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，極易受制造誤差和間隙影響，在鎖住所有驅(qū)動(dòng)器后動(dòng)平臺(tái)仍能發(fā)生連續(xù)自運(yùn)動(dòng)。例如Park等28發(fā)現(xiàn)，Tsai提出的3-UPU移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)軸承和軸的制造誤差和裝配間隙引起的小位移扭轉(zhuǎn)極為敏感(extremely sensitive)。目前，少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)敏感性尚未得到系統(tǒng)深入的研究。當(dāng)二元機(jī)器人工作時(shí)，二元驅(qū)動(dòng)器要分別在兩個(gè)極限位置鎖定并切換，對(duì)應(yīng)于兩個(gè)穩(wěn)定的離散狀態(tài)0或1。如果作為二元超冗余機(jī)器人模塊的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)敏感性差，在二元驅(qū)動(dòng)器的0或1狀態(tài)下，二元機(jī)器人容易發(fā)生自運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致失控?？梢?jiàn)，并聯(lián)模塊的運(yùn)動(dòng)敏感性對(duì)二元超冗余機(jī)器人能否正常工作具有極為重要的意義。 (3) 缺乏二元超冗余機(jī)器人動(dòng)力學(xué)特性研究；對(duì)于并聯(lián)機(jī)構(gòu)已有多種動(dòng)力學(xué)建模方法3934，如：Lagrange方法，Newton-Euler方法，影響系數(shù)方法，Kane方法，螺旋理論和基于李群/李代數(shù)的建模方法等。由于運(yùn)用的力學(xué)原理和數(shù)學(xué)工具不同，這些方法各有優(yōu)劣，但總的來(lái)說(shuō)，這些方法建立的動(dòng)力學(xué)方程都十分復(fù)雜，求解困難。如何合理地簡(jiǎn)化并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型、尋求高效算法、對(duì)建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論具有重要意義。高精度和輕質(zhì)是二元超冗余機(jī)器人的兩大優(yōu)點(diǎn)，然而輕質(zhì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的引入使得并聯(lián)模塊和整個(gè)系統(tǒng)都具有一定的柔性。在進(jìn)行高速、大載荷操作時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)具有大范圍剛性位移和局部彈性變形強(qiáng)耦合的特點(diǎn)，此外，二元驅(qū)動(dòng)器的柔性對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能也會(huì)產(chǎn)生影響，因此傳統(tǒng)剛性機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模分析方法已經(jīng)不能很好地描述二元超冗余機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性，嚴(yán)重影響二元超冗余機(jī)器人的理論研究和實(shí)際工程應(yīng)用。當(dāng)前，二元超冗余機(jī)器人的柔性多體動(dòng)力學(xué)建模理論和方法研究已經(jīng)凸顯其重要性與緊迫性。此外，構(gòu)件和驅(qū)動(dòng)器柔性的影響使得二元超冗余機(jī)器人的彈性振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定和精度的負(fù)面影響加劇，必須予以高度重視。目前對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性的研究還相當(dāng)有限35。對(duì)于連續(xù)驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，每個(gè)位姿下并聯(lián)機(jī)構(gòu)等同于一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，由于工作空間內(nèi)有無(wú)數(shù)個(gè)位姿，這就難以使用有限元法分析系統(tǒng)所有位姿處的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性。而二元超冗余機(jī)器人的工作空間由有限個(gè)位姿組成，以現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟、硬件發(fā)展水平，完全可以通過(guò)有限元法計(jì)算出每個(gè)位姿處系統(tǒng)的固有頻率、響應(yīng)、振型、阻尼和剛度等參數(shù)，全面掌握系統(tǒng)的振動(dòng)特性，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。綜上所述，基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的二元超冗余機(jī)器人屬于并聯(lián)機(jī)器人研究中的前沿領(lǐng)域，在空間探索、醫(yī)療、微操作等方面具有相當(dāng)大的應(yīng)用潛力。本項(xiàng)申請(qǐng)瞄準(zhǔn)這一前沿領(lǐng)域中機(jī)構(gòu)學(xué)研究的若干空白之處，以螺旋理論、李群、李代數(shù)為工具，研究基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型綜合和優(yōu)選、運(yùn)動(dòng)敏感性和動(dòng)力學(xué)特性分析的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)。項(xiàng)目研究成果對(duì)豐富并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)理論，推動(dòng)二元超冗余機(jī)器人應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)研究具有重要意義。參考文獻(xiàn)1. 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Journal of Robotics System. 1993, 10(5): 7257442. 項(xiàng)目的研究?jī)?nèi)容、研究目標(biāo),以及擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。（此部分為重點(diǎn)闡述內(nèi)容）研究目標(biāo)針對(duì)目前二元超冗余機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)基礎(chǔ)理論研究中存在的空白欠缺之處，運(yùn)用并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論和現(xiàn)代數(shù)學(xué)工具，深入研究基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的二元超冗余機(jī)器人構(gòu)型綜合與優(yōu)選、運(yùn)動(dòng)敏感性、柔性多體動(dòng)力學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化與求解算法、振動(dòng)特性分析等問(wèn)題，并建造一臺(tái)基于優(yōu)選構(gòu)型的含6個(gè)并聯(lián)模塊的二元超冗余機(jī)器人實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，用于驗(yàn)證理論分析結(jié)果，探索其實(shí)際工程應(yīng)用，為最終形成二元超冗余機(jī)器人動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論奠定基礎(chǔ)。研究?jī)?nèi)容(A) 理論研究1二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型綜合理論和優(yōu)選方法研究 在模塊層面，以約束螺旋綜合理論為工具，研究二元驅(qū)動(dòng)下少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合，特別是瞬時(shí)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合，重點(diǎn)綜合3、4自由度并聯(lián)模塊；在系統(tǒng)層面，以李群、李代數(shù)為工具，以綜合出的并聯(lián)模塊為單元，研究二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型綜合的新理論與方法 研究二元驅(qū)動(dòng)下并聯(lián)模塊構(gòu)型優(yōu)選方法，運(yùn)用螺旋理論、微分流形和李群理論對(duì)機(jī)構(gòu)拓?fù)湫阅苓M(jìn)行研究，建立相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中重點(diǎn)探討機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)敏感性的內(nèi)在聯(lián)系，給出運(yùn)動(dòng)敏感性數(shù)學(xué)描述方法，建立相應(yīng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，最后得到優(yōu)選構(gòu)型 開(kāi)發(fā)基于OpenGL的可視化二元超冗余機(jī)器人計(jì)算機(jī)輔助構(gòu)型綜合軟件2二元超冗余機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究 研究?jī)?yōu)選構(gòu)型的正、逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)，特別是遺傳算法在逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)中的運(yùn)用3二元超冗余機(jī)器人的柔性多體動(dòng)力學(xué)建模理論研究 考慮輕質(zhì)桿件和二元驅(qū)動(dòng)器的柔性，以并聯(lián)模塊為子結(jié)構(gòu)，使用有限元和拉格朗日方法，以符號(hào)數(shù)學(xué)軟件Mathematica為工具，建立二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的柔性多體動(dòng)力學(xué)模型 探索基于Lie群Lie代數(shù)的合理的動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化方法，給出高效、穩(wěn)定的動(dòng)力學(xué)方程求解算法4二元超冗余機(jī)器人的振動(dòng)特性分析研究 以有限元法為工具，對(duì)二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行理論模態(tài)分析，獲取主要振動(dòng)特性參數(shù) 以結(jié)構(gòu)固有頻率為約束，探討二元超冗余機(jī)器人結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì) 以速度、加速度為約束條件，初步探討二元超冗余機(jī)器人結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)(B) 實(shí)驗(yàn)研究 在UG NX和Ansys環(huán)境下，完成優(yōu)選機(jī)型的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、分析和虛擬制造，包括零件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真 使用微型電機(jī)加限位鎖緊機(jī)構(gòu)構(gòu)成二元驅(qū)動(dòng)器 基于DSP芯片的控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)加工、裝配、調(diào)試、標(biāo)定 以激振法對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，測(cè)定振動(dòng)特性參數(shù)，與理論結(jié)果相驗(yàn)證擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 并聯(lián)機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與運(yùn)動(dòng)敏感性之間的內(nèi)在聯(lián)系，運(yùn)動(dòng)敏感性的數(shù)學(xué)描述和幾何意義，以及相應(yīng)的優(yōu)選指標(biāo) 基于有限元和拉格朗日方程的二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的柔性多體動(dòng)力學(xué)建模方法 基于Lie群、Lie代數(shù)理論的合理的動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化方法和動(dòng)力學(xué)方程求解算法 二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的理論模態(tài)分析和試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析3. 擬采取的研究方案及可行性分析。（包括有關(guān)方法、技術(shù)路線(xiàn)、實(shí)驗(yàn)手段、關(guān)鍵技術(shù)等說(shuō)明）在進(jìn)一步收集調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，本項(xiàng)申請(qǐng)采用理論建模分析、計(jì)算機(jī)仿真，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)驗(yàn)證相結(jié)合的研究方法，主要偏重于二元超冗余機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論與方法的研究。(A) 理論研究部分研究方案及可行性1) 運(yùn)用約束螺旋綜合理論，完成瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合，特別是3，4自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)。研究瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)副的選取問(wèn)題。(可行性：申請(qǐng)人在參與國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“少自由度并聯(lián)機(jī)器人及虛軸機(jī)床的機(jī)型構(gòu)造理論及其綜合50075074”研究中，已運(yùn)用約束螺旋綜合理論完成了全部九類(lèi)少自由度連續(xù)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的構(gòu)型綜合，以此理論完成瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合是可行的)2) 以李群李代數(shù)理論研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)敏感性與拓?fù)錁?gòu)型的內(nèi)在聯(lián)系，首先以分支位移流形描述并聯(lián)機(jī)構(gòu)分支運(yùn)動(dòng)鏈末端的運(yùn)動(dòng)，再考慮制造誤差、裝配間隙和構(gòu)件柔性帶來(lái)的小位移扭轉(zhuǎn)對(duì)分支位移流形代數(shù)結(jié)構(gòu)完整性的影響程度，最后選出運(yùn)動(dòng)魯棒性好的并聯(lián)機(jī)構(gòu)(可行性：這一部分的研究在理論上具有相當(dāng)難度，經(jīng)過(guò)申請(qǐng)人和法國(guó)J.M.Herv教授的共同努力，已取得一定成果，目前正在合作撰寫(xiě)一篇在拓?fù)錁?gòu)型層面上分析3自由度移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)敏感性的論文)3) 在1)，2)研究基礎(chǔ)上，以運(yùn)動(dòng)敏感性為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選出多種3或4自由度并聯(lián)模塊構(gòu)型。使用優(yōu)選并聯(lián)模塊以三種方式構(gòu)成含5個(gè)模塊的二元超冗余機(jī)器人，包括：?jiǎn)渭?自由度模塊；單純4自由度模塊以及3，4自由度并聯(lián)模塊混合三種結(jié)構(gòu)。再運(yùn)用2)中的研究方法，優(yōu)選出魯棒性好的構(gòu)型(可行性：在1)，2)研究基礎(chǔ)上，這一步可以完成)4) 以并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)和空間機(jī)構(gòu)學(xué)為工具，研究?jī)?yōu)選構(gòu)型的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)、著重深入研究遺傳算法在逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)中的應(yīng)用 (可行性：雖然目前研究尚未深入，但遺傳算法用于二元超冗余機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題已被證明是可行的)5) 以并聯(lián)模塊為子結(jié)構(gòu)，使用有限元法把每個(gè)并聯(lián)模塊離散為桿單元，求出任意單元上任意點(diǎn)在系統(tǒng)坐標(biāo)系中位移、速度，然后計(jì)算出整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)能、勢(shì)能及非保守力所做的功，代入拉格朗日第二類(lèi)方程，得到二元超冗余機(jī)器人的柔性多體動(dòng)力學(xué)模型。推導(dǎo)使用符號(hào)數(shù)學(xué)軟件Mathematica為工具(可行性：有限元和拉格朗日方程相結(jié)合的動(dòng)力學(xué)建模方法是柔性多體動(dòng)力學(xué)使用較多的一種方法，通過(guò)使用Mathematica,可以完成建模中極為復(fù)雜的推導(dǎo))6) 在5)的基礎(chǔ)上，研究利用李群李代數(shù)理論簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型并給出動(dòng)力學(xué)方程的高效解法(可行性：動(dòng)力學(xué)模型的合理簡(jiǎn)化是本項(xiàng)申請(qǐng)的最大難點(diǎn)之一，充分利用李群李代數(shù)在約束力學(xué)系統(tǒng)中的研究成果，融合并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)和模態(tài)分析技術(shù)，可以完成這一工作)7) 以有限元法對(duì)二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行理論模態(tài)分析，獲取主要振動(dòng)特性參數(shù)，并通過(guò)仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證(可行性：在6)的基礎(chǔ)上可以完成)(B) 技術(shù)部分研究方案及可行性8) 在確定結(jié)構(gòu)參數(shù)后、運(yùn)用UG NX和Ansys等CAD/CAE軟件進(jìn)行零部件的實(shí)體造型、裝配和整機(jī)的外型布局設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)仿真，有限元分析9) 設(shè)計(jì)基于DSP的樣機(jī)數(shù)控硬件系統(tǒng)和以VC6.0為開(kāi)發(fā)環(huán)境下的樣機(jī)數(shù)控軟件10) 完成零部件的加工和整機(jī)的裝配、調(diào)試、標(biāo)定，并以激振法對(duì)樣機(jī)進(jìn)行模態(tài)分析實(shí)驗(yàn)，測(cè)定振動(dòng)特性參數(shù)?？尚行裕赫n題組相關(guān)成員能夠熟練使用UG NX和Ansys完成復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的建模、裝配、仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)的全過(guò)程；具有豐富的DSP軟、硬件開(kāi)發(fā)和機(jī)電產(chǎn)品應(yīng)用開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)；申請(qǐng)項(xiàng)目依托的浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室具有良好的軟、硬件設(shè)施，所以樣機(jī)研制的工作是可行的。4. 本項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新之處。特色：針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)二元超冗余機(jī)器人的研究主要集中于運(yùn)動(dòng)學(xué)和二元驅(qū)動(dòng)器的狀態(tài)，選取二元超冗余機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)中若干重要、但尚為空白的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題為研究方向，包括：構(gòu)型綜合與優(yōu)選、運(yùn)動(dòng)敏感性、柔性多體動(dòng)力學(xué)建模與動(dòng)力學(xué)特性分析等。創(chuàng)新之處： 提出使用瞬時(shí)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為二元超冗余機(jī)器人的模塊單元，為瞬時(shí)少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)理論研究和應(yīng)用開(kāi)拓了新的方向。 提出二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型綜合理論及方法 提出基于李群的二元超冗余機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)敏感性分析方法。 二元超冗余機(jī)器人的柔性多體動(dòng)力學(xué)建模、基于李群李代數(shù)理論的動(dòng)力學(xué)模型簡(jiǎn)化與算法研究 二元超冗余機(jī)器人的振動(dòng)特性分析研究5. 年度研究計(jì)劃及預(yù)期研究結(jié)果。（包括擬組織的重要學(xué)術(shù)交流活動(dòng)、國(guó)際合作與交流計(jì)劃等）年度研究計(jì)劃：2019年1月20019年5月l 國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)收集、調(diào)研；完成少自由度瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合；與J.M.Herv教授合