机构演变与变胞机理及其面向任务的多工况性能综合设计

Upon the requirement of fast development of science and technology and the particular requirement of adaptation and reconfiguration, this proposal is to use screw theory, Lie groups, Lie algebras and differential manifolds, and to connect Assur gropus with Lie groups and manifolds, to reveal the principle of furcation in the configuration space of metamorphic mechanisms. This leas to the study of controllable constraint singularity and its intrinsic connections with metamorphosis and configuration variation, the study would establish complex-requirement oriented synthesis of metamorphic mechanisms and performance parameters, develop a set of metamorphic kinematics pairs, and obtain key technology in control of metamorphosis of the mechanisms. This would then lead to development of a patrol robot for extra high voltage lines to verify the theory, technology and procedure developed in this project, building a solid theoretical foundation for innovation and application of metamorphic-mechanism integrated advanced robots.

当前我国的生产力发展与工程技术革新要求机构具备可自重组与重构及“一机多用”的功能，以满足复杂工况需求。变胞机构自申请人提出以来，已发展了15余年，但决定其设计方法的机构演变原理与分岔机理仍有待研究。本项目以研究变胞机构的演变与变胞机理为目标，以旋量理论、李群与李代数及微分流形为主要工具，以贯通阿苏尔杆组原理与这些理论工具为主线，揭示变胞机构位形空间的分岔机理；基于此探究可控奇异位形、变胞性能与构型演变控制之间的内在关联，创建面向复杂工况的变胞机构综合与性能评估基础理论体系，发明一系列具有实用价值的变胞运动副和变胞机构，并攻克其可控变胞过程关键技术；最后，开发超高压线路巡检与维护变胞机器人物理样机，验证上述理论分析方法的有效性；为我国以变胞机构为代表的先进机器人机构创新与实际应用提供坚实理论保障。

当今世界环境多变、需求繁多,同时变胞机构与变胞机器人已经在全球掀起了新的技术革新浪潮。这就急需研究变胞机构和可重构机构在机器人应用中面临的机构分岔、演变机理、创新设计等瓶颈问题。研究团队深入研究这些问题取得如下成果。.在基础理论研究方面，深度结合数学理论与机构学理论，深入研究旋量理论、李群李代数理论、以及齐性芬斯勒流形，贯通旋量代数与李理论、微分流形三大数学理论，开发三大数学工具的理论关联，从本质上深入揭示机构演变机理，从几何关联上深入展现各种机构的内在联系，实现了基础理论重大突破。.在核心理论研究方面，挖掘变胞机构演变规律及变胞机理，首次提出了机构运动分岔及其鉴别与控制理论，揭示机构构型演变规律，开创可重构机构变换构态空间理论，提出了一套完整描述与分析机构演变的理论体系框架，奠定了可重构机构理论基础。.在变胞机构设计与控制方面，建立变胞机构构型演变对机构性能影响的理论分析和评价指标体系，创新性地提出变胞特性、分岔特性、运动特性等运动特性，深入挖掘变胞机构参数设计与可控奇异位形的内在联系，揭示影响变胞过程的平顺性与可控性因素及其性能作用机理，建立了变胞机构运动分支切换控制理论，由此给出通用分析流程,综合出多种可变构态的新型变胞机构与可重构机构。.在变胞机构演变机理与性能综合的验证环节，通过仿真技术对综合出的多种机构进行运动学仿真，面向电力场景复杂工况，研制出绝缘子劣化诊断与带电清扫变胞机器人，解决绝缘子串适应性与抓取稳定性实际问题，以此开发出超高压输电线路巡检与维护机器人，并应用于东北电科院和广西电网公司。同时将技术应用于航天员科研训练中心攻关项目。项目执行期间，项目负责人戴建生教授获 2020 ASME 机械设计终身成就奖，为该奖自1958年设立后的第58位获奖者。并出版了引领国内外可重构机构与可重构机器人研究与应用的重要专著《可重构机构与可重构机器人——分岔演变运动学分析、综合及其控制》。