多手足并联机器人型综合与协调作用理论及应用研究

多手足PM(并联机器人)是由少自由度PM动台或机座与多个独立运动手足机构联接构成的新型机器人，适用于外星或深海勘探、危难险场搜索与救援、工业管道检修、助老助残服务、微创手术、细胞移植、微纳加工、精密组合加工等高端作业。本项目以申请者的国家发明专利-危难救援和管道PM为对象，开展多手足PM机构型综合及协调作用理论研究，揭示少自由度PM与多手足机构协调运动、动力及刚度动特性；建立求解多机构协调运动位姿、速度、加速度、工作空间、奇异位姿和行走速度，协调驱动与约束力/力矩，协调挖掘、扩展、抓取、拖动、牵引等力和协调刚度的全新系列数学模型；开展实验与模拟分析，验证理论研究结果。本项目成果为创建多手足PM机构型综合及协调作用理论体系奠定基础；为成功研制国家重大需求的救援PM、工业管道PM、服务PM、多主轴并联机床、多臂并联锻造机、多指微动PM、多足并联行走机器人等高端装备提供理论依据和技术支撑。

开发新型并联机器人臂与多手、足混联机器人一直是国内外机器人领域的前沿，创建这类机构型综合、运动/动力学的理论体系是其成功的基础，也是提高中国高端装备制造及机器人水平和竞争力的关键。.基于多种操作任务，首次设计出多种新型多手足与不同并联臂混联的机器人模型。并联臂分别是：3SPR型3自由度臂，3RPS型六维力传感器，含3个双驱动腿6自由度臂，3SPR/3RPS型串并联臂，含双复合球副分支5自由度臂，含三平面分支6自由度臂，含双复合驱动腿5自由度臂，含三驱动腿5自由度臂，1转4移驱动5自由度臂，含平面腿3自由度臂，3UPUR+SP型4自由度臂等。首次提出并形成了面向多手足混联机构的关联杆组、数组、拓扑胚图、拓扑图、构型的统一综合理论体系。由简单和虚拓扑胚图推导复杂拓扑胚图，用拓扑胚图和数组自动推导出拓扑图。综合出许多具有位姿工作空间大、布置多手、高刚度的并联及串并联机构和手与足机构和适合的联接形式。设计并优选出可重构的柔性手机构，柔性抓取或按摩的手机构。优选出多手机构与并联机构联接形式。.建立了上述多种新型机构协调运动、静力、动力学理论模型，用构建相应的模拟机构和有限元模型验证了各项理论模型正确性，建立了多手指抓物过程抓取力优化模型，建立了含三驱动腿5自由度臂和含三手指3RPS型六维力传感器的刚度解析模型。建立了求解系统内驱动和约束力旋量和系统外的挖掘、扩展、抓取、拖动、牵引等力的动力学模型。求解动态驱动器的驱动力、运动副的约束力/力矩和系统外载荷的静/动力学模型。首次形成了多手指多类型并联机器人的协调运动与动力学、优化抓取模型理论体系。为其结构优化、控制系统设计和应用提供理论依据。.研制出三台三手指3自由度并联机器人样机、一台三手指3RPS型六维力传感器样机，搭建了上述样机相应实验与测控系统。开发出测控软件，构建了模拟机构和有限元模型。实现了三手指并联机器人的协调抓取运动控制过程，验证了关键理论研究分析结果。为多手足与不同并联臂混联的机器人工业的广泛应用与控制提供理论与技术支撑。.2012年以来, 发表36篇标注项目号论文，其中26篇同时收录于SCI和EI，5篇收录于EI；中国发明专利授权11项，公示7项；获河北省自然科学奖三等奖1项:.指导博士生9人，硕士生25人；其中3人已获博士学位，17人已获硕士学位，一博士生获国家奖学金3万，一硕士生获河北省优硕。