【正文】 好的前景和可觀的應(yīng)用潛力，成為當(dāng)前國際機(jī)器人學(xué)界的前沿研究主題之一[1,5~23]。二元驅(qū)動(dòng)器(Binary actuator)是離散驅(qū)動(dòng)器中特殊的一類，只具有兩個(gè)離散的穩(wěn)定狀態(tài)，即0或1，對(duì)應(yīng)于驅(qū)動(dòng)器的兩個(gè)極限位置，例如電磁鐵。由于單個(gè)二元機(jī)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(gè)二元機(jī)器人模塊串聯(lián)成二元超冗余機(jī)器人。如果不考慮驅(qū)動(dòng)方式，純粹從機(jī)構(gòu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來看，二元超冗余機(jī)器人屬于串－并聯(lián)機(jī)構(gòu)，但卻和同為串－并聯(lián)機(jī)構(gòu)的變幾何桁架機(jī)構(gòu)有本質(zhì)的區(qū)別?？偟膩碚f，二元超冗余機(jī)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(jìn)概念計(jì)劃的資助，正在研究二元超冗余機(jī)器人在星際探索中的應(yīng)用，如作為步行機(jī)的足以適應(yīng)行星上復(fù)雜的地形，或作為機(jī)械臂等，如圖4所示。 圖4. MIT二元超冗余機(jī)器人在星際探索中的應(yīng)用l 二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析u JHU Chirikjian團(tuán)隊(duì)研究工作[1,5~14]Chirikjian等對(duì)二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的研究主要集中于運(yùn)動(dòng)學(xué)，包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正解[8]、運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模塊有兩種，一種是平面變幾何珩架機(jī)構(gòu)；一種是Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并以氣缸作為二元驅(qū)動(dòng)器，結(jié)構(gòu)較為粗笨。對(duì)二元機(jī)器人系統(tǒng)，運(yùn)動(dòng)學(xué)反解是通過搜索二元機(jī)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。盡管該方法速度很快，但離散工作空間需要占用大量計(jì)算機(jī)內(nèi)存。文獻(xiàn)[5]對(duì)二元超冗余機(jī)器人系統(tǒng)的工作空間和參數(shù)優(yōu)化問題進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[10]使用歐氏群上的傅立葉變換對(duì)二元機(jī)器人進(jìn)行尺度綜合；文獻(xiàn)[11] 通過離散運(yùn)動(dòng)群上的傅立葉變換來快速計(jì)算二元機(jī)器人的位姿和工作空間。Dubowsky等提出了二元機(jī)器人驅(qū)動(dòng)智能裝置BRAID(Binary Robotic Articulated Intelligent Device)的概念，并進(jìn)行了大量相關(guān)理論和實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究[1520]。可用作步行機(jī)足，兩臺(tái)火星車之間的連接器、機(jī)械手等。值得注意的是，文獻(xiàn)[16]中提出一種基于遺傳算法的運(yùn)動(dòng)學(xué)反解方法，由于二元機(jī)器人系統(tǒng)的本身固有的“0/1”特性，遺傳算法在運(yùn)動(dòng)學(xué)反解中很有應(yīng)用潛力，但目前研究尚未深入。文獻(xiàn)[17,18]研究了使用介質(zhì)聚合物二元驅(qū)動(dòng)器的BRAID的運(yùn)動(dòng)學(xué)，驅(qū)動(dòng)器優(yōu)化等。文獻(xiàn)[20]則是對(duì)以前工作的階段性介紹。此外、我國學(xué)者馬培蓀等研制了離散驅(qū)動(dòng)的6自由度蛇形柔性臂，并對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)[23]，但其模塊使用的并非并聯(lián)機(jī)構(gòu)。但目前構(gòu)型綜合的首要目標(biāo)是綜合出連續(xù)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)，而將瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)作為型綜合的副產(chǎn)品剔除掉。目前在國際并聯(lián)機(jī)器人學(xué)界和工業(yè)界，對(duì)瞬時(shí)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論研究和實(shí)際應(yīng)用少之又少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于連續(xù)運(yùn)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)。瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在發(fā)生連續(xù)運(yùn)動(dòng)后，動(dòng)平臺(tái)的自由度數(shù)目或性質(zhì)將發(fā)生變化。不但開辟了瞬時(shí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的全新應(yīng)用領(lǐng)域，也將豐富二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型。尚未有人系統(tǒng)地研究何種并聯(lián)構(gòu)型適合用作二元超冗余機(jī)器人的模塊、根據(jù)何種判據(jù)選取合適的模塊、以及用模塊構(gòu)建系統(tǒng)的方式等。(2) 缺乏二元超冗余機(jī)器人運(yùn)動(dòng)敏感性研究；運(yùn)動(dòng)敏感性是指并聯(lián)機(jī)器人的自由度和運(yùn)動(dòng)特性受制造誤差、裝配間隙以及桿件彈性變形的影響程度。例如Park等[28]發(fā)現(xiàn)，Tsai提出的3UPU移動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)對(duì)軸承和軸的制造誤差和裝配間隙引起的小位移扭轉(zhuǎn)極為敏感(extremely sensitive)。當(dāng)二元機(jī)器人工作時(shí)，二元驅(qū)動(dòng)器要分別在兩個(gè)極限位置鎖定并切換，對(duì)應(yīng)于兩個(gè)穩(wěn)定的離散狀態(tài)0或1?？梢?，并聯(lián)模塊的運(yùn)動(dòng)敏感性對(duì)二元超冗余機(jī)器人能否正常工作具有極為重要的意義。由于運(yùn)用的力學(xué)原理和數(shù)學(xué)工具不同，這些方法各有優(yōu)劣，但總的來說，這些方法建立的動(dòng)力學(xué)方程都十分復(fù)雜，求解困難。高精度和輕質(zhì)是二元超冗余機(jī)器人的兩大優(yōu)點(diǎn)，然而輕質(zhì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的引入使得并聯(lián)模塊和整個(gè)系統(tǒng)都具有一定的柔性。當(dāng)前，二元超冗余機(jī)器人的柔性多體動(dòng)力學(xué)建模理論和方法研究已經(jīng)凸顯其重要性與緊迫性。目前對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)特性的研究還相當(dāng)有限[35]。而二元超冗余機(jī)器人的工作空間由有限個(gè)位姿組成，以現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)軟、硬件發(fā)展水平，完全可以通過有限元法計(jì)算出每個(gè)位姿處系統(tǒng)的固有頻率、響應(yīng)、振型、阻尼和剛度等參數(shù)，全面掌握系統(tǒng)的振動(dòng)特性，進(jìn)而為結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。本項(xiàng)申請(qǐng)瞄準(zhǔn)這一前沿領(lǐng)域中機(jī)構(gòu)學(xué)研究的若干空白之處，以螺旋理論、李群、李代數(shù)為工具，研究基于少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的二元超冗余機(jī)器人的構(gòu)型綜合和優(yōu)選、運(yùn)動(dòng)敏感性和動(dòng)力學(xué)特性分析的相關(guān)理論與實(shí)驗(yàn)技術(shù)。參考文獻(xiàn)1. 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