【正文】 申請代碼受理部門收件日期受理編號國家自然科學(xué)基金申 請 書2017資助類別： 面上項目 亞類說明： 附注說明 項目名稱：二元超冗余機器人構(gòu)型綜合及動力學(xué)特性分析研究 申 請 者： 電話： 依托單位： 通訊地址： 郵政編碼： 單位電話： 電子郵件： 申報日期： 2018年12月15日 國家自然科學(xué)基金委員會基本信息申 請 人 信 息姓名性別男出生 年月 民族漢學(xué)位職稱無每年工作時間（月）電話電子郵箱 傳真國別或地區(qū)中國個人通訊地址工作單位主要研究領(lǐng)域機電一體化，機電傳動依托單位信息名稱武漢理工大學(xué)聯(lián)系人宋彥寶電子郵箱 Jck2@電話02787214969網(wǎng)站地址 合作研究單位信息單 位 名稱 [ 在此錄入修改][ 在此錄入修改]項目基本信息項目名稱 二元超冗余機器人構(gòu)型綜合及動力學(xué)特性分析研究英文名稱面上項目資助類別 亞類說明附注說明 申請代碼 E050201機械傳動E050601設(shè)計理論與方法基地類別 研究期限 2018年12月—2019年12月研究方向申請經(jīng)費30萬中 文 關(guān) 鍵 詞并聯(lián)機構(gòu)，型綜合，動力學(xué)，二元驅(qū)動英 文 關(guān) 鍵 詞Parallel mechanism, type synthesis, dynamics, binary drive經(jīng)費申請表 （金額單位：萬元）序號科目名稱金額 備注（計算依據(jù)與說明） （1）（2）（3）1一、項目資金支出 302（一）直接費用253104（1）設(shè)備購置費5（2）設(shè)備試制費6（3）設(shè)備改造與租賃費7891011122131415016017(2)間接費用518其中：績效支出519二、自籌資金0報告正文一）立項）依據(jù)與研究內(nèi)容（40008000 字）：1. 項目的立項依據(jù)（研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)分析，需結(jié)合科學(xué)研究發(fā)展趨勢來論述科學(xué)意義；或結(jié)合國民經(jīng)濟和社會發(fā)展中迫切需要解決的關(guān)鍵科技問題來論述其應(yīng)用前景。附主要參考文獻目錄）l 項目背景及研究意義在人類認(rèn)識世界、改造世界的發(fā)展進程中，作為重要手段和工具的機器人正面臨越來越多的新挑戰(zhàn)。對于相當(dāng)多的任務(wù)而言，人們希望開發(fā)出輕質(zhì)、控制簡單、成本低、魯棒性強、高精度的機器人。目前，大多數(shù)機器人系統(tǒng)都屬于連續(xù)驅(qū)動機器人系統(tǒng)，即機器人中各關(guān)節(jié)都可作連續(xù)運動，而且使用連續(xù)驅(qū)動器，如電機、液壓缸等。為實現(xiàn)機器人運動的高精度和高重復(fù)運動精度，必須使用復(fù)雜且昂貴的控制系統(tǒng)和傳感器，從而帶來系統(tǒng)復(fù)雜性加大、重量、成本和能耗增加，可靠性降低等副作用。為了減少或去除這些副作用，各國學(xué)者提出了各種理論與方法，在過去的十余年中(19942005)，二元驅(qū)動技術(shù)和機器人技術(shù)相結(jié)合產(chǎn)生的二元超冗余機器人(Binary Hyper Redundant Robot)逐漸顯示出良好的前景和可觀的應(yīng)用潛力，成為當(dāng)前國際機器人學(xué)界的前沿研究主題之一[1,5~23]。MIT (麻省理工學(xué)院)的Dubowsky教授，JHU(約翰霍普金斯大學(xué))的Chirikjian教授等學(xué)者認(rèn)為，二元驅(qū)動對機器人系統(tǒng)的影響可能會如同數(shù)字電路對電子系統(tǒng)的影響一般深遠(yuǎn)[1,20]。二元驅(qū)動器(Binary actuator)是離散驅(qū)動器中特殊的一類，只具有兩個離散的穩(wěn)定狀態(tài)，即0或1，對應(yīng)于驅(qū)動器的兩個極限位置，例如電磁鐵。 圖1. MIT 二元超冗余機器人則是由多個二元驅(qū)動的并聯(lián)機器人模塊串聯(lián)而成，如圖2所示為MIT [1620]，在每個RRS分支運動鏈中有一個二元驅(qū)動器，這樣動平臺的工作空間由23個點組成，每個點上姿態(tài)是確定的，如圖3所示[16]。由于單個二元機器人工作空間位姿有限，為了完成一定的操作任務(wù)，必須將多個二元機器人模塊串聯(lián)成二元超冗余機器人。因此二元超冗余機器人的工作空間是一個離散的點集，包含2n個點，n是驅(qū)動器數(shù)。如果不考慮驅(qū)動方式，純粹從機構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，二元超冗余機器人屬于串－并聯(lián)機構(gòu)，但卻和同為串－并聯(lián)機構(gòu)的變幾何桁架機構(gòu)有本質(zhì)的區(qū)別。圖2. MIT 圖3. 3RRS 二元并聯(lián)機構(gòu)的8個位姿和傳統(tǒng)的連續(xù)驅(qū)動機器人系統(tǒng)相比，二元機器人系統(tǒng)的優(yōu)點在于：不需要反饋控制、定位精度和重復(fù)定位精度高、低成本、輕質(zhì)、高負(fù)載能力、更簡單的計算機控制接口、魯棒性強(部分驅(qū)動器失效后仍能完成操作)；其缺點在于：離散的工作空間、運動學(xué)逆解運算量極大等[1,20]?？偟膩碚f，二元超冗余機器人從概念形成到研究展開不過僅僅十幾年，在星際探索、醫(yī)療、精密操作等方面都有著良好的應(yīng)用前景，(美國國家航天局)先進概念計劃的資助，正在研究二元超冗余機器人在星際探索中的應(yīng)用，如作為步行機的足以適應(yīng)行星上復(fù)雜的地形，或作為機械臂等，如圖4所示。目前二元超冗余機器人屬于一項前瞻性的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，在國際上方興未艾，國內(nèi)基本尚為空白，及時地開展相關(guān)研究，有助于盡早取得理論和關(guān)鍵技術(shù)上的自主創(chuàng)新，占據(jù)此新興領(lǐng)域的制高點。 圖4. MIT二元超冗余機器人在星際探索中的應(yīng)用l 二元超冗余機器人系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析u JHU Chirikjian團隊研究工作[1,5~14]Chirikjian等對二元超冗余機器人系統(tǒng)的研究主要集中于運動學(xué)，包括運動學(xué)正解[8]、運動學(xué)反解[6,9,13,14]、工作空間[6,9]、參數(shù)綜合[5,1011]和軌跡規(guī)劃[7]等，其建造的實驗系統(tǒng)的模塊有兩種，一種是平面變幾何珩架機構(gòu)；一種是Stewart并聯(lián)機構(gòu)，并以氣缸作為二元驅(qū)動器，結(jié)構(gòu)較為粗笨。二元超冗余機器人運動學(xué)正解相對簡單，Lee和Chirikjian[8]提出一種基于齊次變換的運動學(xué)正解計算方法。對二元機器人系統(tǒng)，運動學(xué)反解是通過搜索二元機器人的位姿空間得到和期望姿態(tài)誤差最小的末端操作手位姿。Chirikjian等提出了基于工作空間點密度的運動學(xué)反解算法[6,9,13,14]，這種方法將工作空間離散成一定數(shù)目的單元，然后對每個單元分別計算工作空間點密度。盡管該方法速度很快，但離散工作空間需要占用大量計算機內(nèi)存。為了避免內(nèi)存瓶頸的影響，Suthakorn和Chirikjian又提出只考慮工作空間中心的改進算法[12]，但該算法的準(zhǔn)確性嚴(yán)重依賴于機器人單元模塊的形狀和工作空間的位姿。文獻[5]對二元超冗余機器人系統(tǒng)的工作空間和參數(shù)優(yōu)化問題進行了研究；文獻[1