柔性连续体分拣机器人的拓扑综合、动力学分析和运动控制

Delta parallel robots revolutionized pick-and-place tasks in many industrial sectors due to their rapid movements. Since then many rigid-linked parallel robots have been proposed for various improvements. However, the movement agility is only one aspect for consideration while deploying robots for pick-and-place tasks in a production line. Cost, use simplicity and safety should also be considered. In the previous study, a flexible tail-like continuum robot for low-load medium-speed pick-and-place tasks was designed and fabricated. It was demonstrated to be easy to use due to its straightforward kinematics, safe to work with due to the inherent compliance, and affordable to construct due to the simple structure. However, a few drawbacks were also identified such as anisotropic actuation and elasticity-induced vibration. This project proposes to investigate the topology synthesis, design optimization, dynamics modeling, vibration damping control and trajectory planning of a new continuum robot for pick-and-place tasks. The specific aims include topology variations for improved actuation isotropy, formulation of performance indices for design optimization, elastodynamics modeling for vibration damping, trajectory planning algorithms for improved movement agility, and system deployment for demonstration. Results obtained in this project will not only advance progresses in design theory, elastodynamics modeling and control of continuum mechanisms, but also provide enabling technologies for a complete new type of pick-and-place robots that might lead to substantial commercialization opportunities.

Delta型分拣机器人以其迅捷的移动速度给多个工业行业中的分拣任务带去了革命性的变革。然而，在生产线中使用分拣机器人时，机器人运动的迅捷性只是考虑的一个方面。成本、使用便利性和安全性也应受到重视。课题组在前期研究中，提出用基于超弹性镍钛合金的连续体机构替代传统刚性机构，搭建了一种柔性连续体分拣机器人原理样机，专门用于低载、中速的分拣任务。分析和研究表明，此柔性分拣机器人原理样机结构简单、造价低廉，运动学描述简洁有效、易于使用，结构顺应、安全性高。本项目拟针对前期研究中样机暴露的性能缺陷，诸如驱动各向异性和高速运动引起系统振动等，研究柔性连续体分拣机器人的拓扑构型综合、工作空间优化、动力学建模、抑振控制和轨迹规划。本项目的预期成果不仅可推进连续体机构设计理论和弹性体动力学建模等多方面的学术进展，亦可搭建出一型独特的造价低廉、安全便捷的柔性连续体分拣机器人，以学术创新激发潜在的经济效益。

以Delta型分拣机器人为代表的分拣机器人虽然在工业领域可以实现极高的分拣速度，但是在成本、安全性和使用便利性角度仍然有可以提高的空间。本项目在分拣机器人领域首次尝试引入柔性连续体机构，并设计、优化、搭建了一型串联型和两型并联型连续体分拣机器人原型机，开展了相关理论和实践研究。针对工业生产线中中低速、安全的人机共融要求下的分拣应用任务，本项目提出采用基于超弹性镍钛合金的多杆连续体机构替代基于传统运动副的刚性机构，开展了串联型和并联型柔性连续体分拣机器人的拓扑构型综合的机械创呈，凝练了针对其尺寸约束、运动性能、工作空间的多目标优化设计综合原理，运用Cosserat rod理论分别更精准地分析了串、并联型分拣机器人柔性关节的运动特性，探索了分拣机器人在高速运动下的抑振控制和轨迹规划的控制策略，并基于参数辨识开展模拟工业生产线中分拣任务有效验证了相关建模和理论。其中串联型分拣机器人分拣绝对定位精度3mm，相对定位精度1%，并可在1分钟内完成对100g分拣对象的60次分拣操作；并联型机器人采用类似Delta型分拣机器人的三根中心对称布置的运动支链协同作用，提升了刚度，具有更好的驱动各向同性，分拣绝对定位精度1mm，相对定位精度0.25%。经过优化后的二型并联分拣机器人可实现连续体关节90°的实际弯转角度。基于原理样机研究了前述研究内容衍生出的样机系统位置控制、串并联机构的正逆运动学规划、非线性力学分析、运动标定、驱动补偿、电气系统设计等科学和技术问题为后续从连续体机构角度开展对快速安全分拣工作探索打下了科学基础，力争为我国机器人技术和产业取得源头创新成果提供科学支撑，并期望以学术创新激发潜在的经济效益和经济价值，助力中国智能制造转型升级。研究成果在机器人领域权威期刊和国际会议发表本基金号资助的论文27篇（含接收），其中SCIE期刊论文6篇，Ei期刊论文2篇，Ei国际会议论文16篇。项目负责人于项目执行期间2017年获国家自然科学基金委员会“优秀青年科学基金”。