并联机构代数化构型综合与性能分析的一体方法及其软件技术

Aimed at addressing the demand for the design method of parallel mechanism from both academia and industry, and improving the existing imperfect theory and inapplicable software for type synthesis and performance analysis of mechanism, this project will study the algebraic and integrated method for synthesis and analysis, and develop the corresponding software. Firstly, the screw based expressions for finite and instantaneous motions will be investigated. These finite and instantaneous screws have the unified format and are more concise than other expressions. The composition and intersection algorithms of screws will be provided, all in analytical manner, leading to an easy mathematical tool for type synthesis and performance analysis of parallel mechanism. Then, the finite screw based topological model and instantaneous screw based performance model of parallel mechanism will be formulated and closely related. Based upon these models, an algebraic and generic type synthesis method will be proposed, which is suitable for any kind of parallel mechanism and enables type synthesis and performance analysis to be unified under the consistent mathematical framework of screw theory. Finally, software based upon the proposed theory and method will be developed, which is easy to applied and can automatically synthesize and analyze parallel mechanism. A prototype will be established and experiment will be carried out, which can validate aforementioned theory and software. The achievements of this project will provide solid theoretical and technological foundations for invention and design of manufacturing parallel equipment and industrial parallel robot, and will expedite the implement of “Made in China 2025”.

本项目面向国际机构学学术前沿与制造装备和机器人对并联机构创新设计的重要需求，针对目前并联机构构型综合与性能分析中存在的“理论不完善，软件不适用”等问题，研究并联机构代数化构型综合与性能分析的一体方法及其软件技术。首先，探索机构连续运动与瞬时运动的最简同维解析表征及其运算方法，为机构综合与分析提供简洁数学工具；其次，构建在数学上相互映射的机构代数化拓扑模型与性能模型，提出涵盖上述模型的一体建模方法与并联机构通用构型综合理论，解决在统一数学框架下开展机构综合与分析的难题；最后，根据所提理论与方法，开发界面简洁、操作简单、功能完整，且适用于任意类型并联机构的构型综合与性能分析软件，并建造样机开展实验以验证上述理论与软件的有效性。本项目将为以并联机构为主体的制造装备和机器人的自主创新和工程设计奠定理论与技术基础，对加快我国智能制造进程和实施《中国制造2025》具有重要意义。

本项目面向机构学国际学术前沿和并/混联构型装备创新设计的重要需求，深入研究并联机构代数化构型综合与性能分析的一体方法及其软件技术，主要内容涉及并联机构的拓扑模型解析表征、代数化构型综合、拓扑与性能一体建模、综合与分析软件等。.项目取得研究成果如下：(1)证明了表征刚体连续运动的有限旋量及其运算定律，实现了开/闭环运动链拓扑结构的计算求解，解决了机构拓扑解析显式表征问题；(2)根据期望运动性质建立两类解析表达式，提出不依赖设计经验的组成支链生成方法与获取装配条件的解析算法，形成了基于有限旋量的并联机构代数化构型综合理论，发明了可创成Exechon、Sprint Z3、Omni等机构运动的新型并联机构，并形成自主知识产权；(3)证明了有限旋量与瞬时旋量的单/分步微分运算定律，构建了并联机构拓扑模型与其位移、速度、加速度模型的映射关系，在有限/瞬时旋量统一数学框架下建立并联机构的拓扑、运动、力、刚度及误差模型，实现了并联机构拓扑和性能一体化建模与优化设计；(4)基于Web技术研发了一款并联机构通用自动化综合与分析软件，已取得软件著作权；(5)借助该软件创新设计了一款飞机舱内部件自动化装配机器人，物理样机综合性能优良并已示范应用。本项目进一步丰富了机器人与机构学基础研究，为高性能并/混联构型装备的原始创新和工程设计提供了重要的理论支撑和软件工具。.在项目执行期内，出版Springer英文专著1部；发表国际期刊论文17篇、国内期刊论文4篇、国际会议论文3篇，已被SCI收录17篇、EI收录22篇；申请中国发明专利9项，已授权2项；获得软件著作权2项；培养青年教师4人，其中2人已晋升副教授职称；培养博士生2人，均已毕业；培养硕士生11人，已毕业8人。