可重构变胞并联机器人机构综合设计方法与驱动配置研究

Parallel manipulators with an invariant topological structure which leads to specific type of motion in a general configuration are used in the fields such as manufacturing, space exploration and medical robotics. The platform of a parallel manipulator usually has fixed mobility and does not have ability to change it, resulting in limited flexibility to accommodate changes required in the application environments. This proposal brings in a new idea to integrate metamorphosis in the structural synthesis of parallel manipulators leading to innovation of metamorphic parallel manipulators with reconfigurability. The methodology and systematic procedure for type synthesis of metamorphic parallel manipulators is to be investigated based on topology, differential geometry and screw theory. Novel type-changeable kinematic pair which originated from metamorphosis and the mathematical modeling of structural evolution will be investigated. The new developed type-changeable kinematic pairs will be taken as units together with the commonly used kinematic pairs in the process of synthesis. The study will further explore the relationship between topological variation of type-changeable kinematic pairs and the motion performance of the metamorphic parallel mechanism, and evaluate the effects on performance indexes of the parallel manipulator by the integrated type-changeable kinematic pairs. Redundant actuation scheme for the metamorphic parallel manipulators will be unraveled based on kinematics and dynamics analysis. The proposed research is to enable a generational leap in the fundamental basis and actuation techniques of parallel mechanisms with reconfigurability. The outcomes of this proposal will lead to substantial contribution to the development of parallel manipulators and their practical application.

本项目以空间机构拓扑与几何理论为基础，将可重构与自重组思想引入具有广泛工程应用前景的并联机器人研究，综合设计具有运动模式变化特性的变胞并联机器人机构，解决并联机器人运动模式单一化和较小工作空间的瓶颈问题。本项目将建立可重构变胞运动副及其拓扑结构演变的数学模型；以具有可重构特性的变胞运动副为设计单元，建立基于约束分析的可重构变胞并联机器人机构综合方法与设计准则；研究变胞运动副约束演化与可重构并联机器人运动模式变化的映射关系并分析变胞运动副对变胞并联机器人机构整体工作空间等各项性能指标的影响。同时，基于可重构变胞并联机器人机构设计，研究能够实现机器人机构在不同构型之间转化以及确定各个构型中末端平台运动模式的驱动配置方案与运行策略。项目研究将有效地应用拓扑理论、微分几何和旋量理论等工具，创立系统的可重构变胞并联机器人机构综合设计方法，这一研究将对推动可重构并联机器人的发展以及工程应用有重要意义。

当前国际上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”功能，以满足复杂工况需求；特别是传统的单一功能并联机器人的发展遇到了理论研究和实际应用推广的瓶颈。本项目完成了我国机构学与机器人学领域对可重构并联机构的变胞机理，性能评价指标，综合设计方法以及驱动配置进行探索的首个系统化科学研究课题。项目研发的变胞并联机器人具有我国自主知识产权，其在国际上的推出使我国在可重构并联机构及其衍生机器人的研究领域达到了国际领先水平。.本项目已完成的研究内容与重要成果、数据简要概括如下。在可重构变胞机构理论基础方面，成功地引入了线几何理论和旋量系互易特性，提出了以运动支链约束类型和机构约束奇异分析为切入点的研究方法，发掘了可重构并联机构实现运动分岔以及运动分支之间相互转换与约束旋量系演变之间的内在联系，进而揭示了可重构变胞并联机构的构型与运动分支演变的机理和系统化分析方法。在可重构变胞并联机器人机构综合方法与设计准则上，提出了以可重构变胞运动单元为广义运动副的设计方法，建立了以混联支链约束分析和并联机构构造几何条件为准则的系统化综合设计方法。在可重构并联机构性能评价指标上，通过对变胞并联机构中的可重构单元的数学建模，拓展了一般并联机构的性能评价指标模型，建立了基于支链约束模型和旋量系雅可比矩阵的可重构变胞并联机构运动学分析解析模型，最终确立可重构并联机构无奇异最大工作空间的设计参数最优化分析；完成了结构相对复杂、拓扑构型和运动分支可变的可重构变胞并联机构的运动学、静力学与动力学的求解初探；解决了可重构变胞并联机构性能指标评价的理论难题。在研究刚性约束对可重构变胞并联机构的构型与运动特性变化的影响关系的同时，本项目首次将柔性约束和刚性约束同时融入变胞机构，进而分析添加了柔性约束的变胞并联机构的运动特性变化，即冗余柔性约束对并联变胞机构运动特性的影响。在以实际应用为目标的驱动配置研究与实验样机开发上，本项目研制了基于球面运动分解的可变轴线变胞运动副及运动传输与驱动系统，开发出了该研究领域的首个运动主动控制球面运动变轴线副；在国际上首次推出了运动平台能够实现多模态运动并完成多样化任务的新型可重构并联变胞机器人实验样机；将添加了冗余柔性约束的可重构变胞并联机构用于微型蠕虫机器人本体结构的设计，开发出了一种新型模块化蠕虫机器人。上述研究成果均发表于顶级国际期刊上。