国家自然科学基金申请书
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2、 项目的研究内容、研究目标及拟解决的关键问题。
研究目标
针对目前二元超冗余机器人机构学基础理论研究中存在的空白欠缺之处，运用并联机器人机构学理论和现代数学工具，深入研究基于少自由度并联机构的二元超冗余机器人构型综合与优选、运动敏感性、柔性多体动力学建模、动力学模型简化与求解算法、振动特性分析等问题，并建造一台基于优选构型的含6个并联模块的二元超冗余机器人实验样机，用于验证理论分析结果，探索其实际工程应用，为最终形成二元超冗余机器人动态优化设计理论奠定基础。 研究内容
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(A) 理论研究
1．二元超冗余机器人的构型综合理论和优选方法研究
? 在模块层面，以约束螺旋综合理论为工具，研究二元驱动下少自由度并联
机构的构型综合，特别是瞬时少自由度并联机构的构型综合，重点综合3、4自由度并联模块；在系统层面，以李群、李代数为工具，以综合出的并联模块为单元，研究二元超冗余机器人的构型综合的新理论与方法
? 研究二元驱动下并联模块构型优选方法，运用螺旋理论、微分流形和李群
理论对机构拓扑性能进行研究，建立相应的评价指标，其中重点探讨机构拓扑结构与运动敏感性的内在联系，给出运动敏感性数学描述方法，建立相应评价指标，最后得到优选构型
? 开发基于OpenGL的可视化二元超冗余机器人计算机辅助构型综合软件 2．二元超冗余机器人的运动学研究
? 研究优选构型的正、逆向运动学，特别是遗传算法在逆向运动学中的运用 3．二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模理论研究
? 考虑轻质杆件和二元驱动器的柔性，以并联模块为子结构，使用有限元和
拉格朗日方法，以符号数学软件Mathematica为工具，建立二元超冗余机器人系统的柔性多体动力学模型
? 探索基于Lie群Lie代数的合理的动力学模型简化方法，给出高效、稳定的动力学方程求解算法
4．二元超冗余机器人的振动特性分析研究
? 以有限元法为工具，对二元超冗余机器人系统进行理论模态分析，获取主
要振动特性参数
? 以结构固有频率为约束，探讨二元超冗余机器人结构动力特性的优化设计 ? 以速度、加速度为约束条件，初步探讨二元超冗余机器人结构动力响应的
优化设计 (B) 实验研究
? 在UG NX和Ansys环境下，完成优选机型的计算机辅助设计、分析和虚拟? ? ? ?
制造，包括零件设计、结构优化，运动学和动力学仿真 使用微型电机加限位锁紧机构构成二元驱动器 基于DSP芯片的控制系统软、硬件设计 实验样机加工、装配、调试、标定
以激振法对实验样机进行模态分析实验，测定振动特性参数，与理论结果相验证
拟解决的关键问题
? 并联机构拓扑结构与运动敏感性之间的内在联系，运动敏感性的数学描述
和几何意义，以及相应的优选指标 ? 基于有限元和拉格朗日方程的二元超冗余机器人系统的柔性多体动力学建
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模方法
? 基于Lie群、Lie代数理论的合理的动力学模型简化方法和动力学方程求解
算法
? 二元超冗余机器人系统的理论模态分析和试验模态分析
3、 拟采取的研究方案及可行性分析。
在进一步收集调研国内外相关文献的基础上，本项申请采用理论建模分析、计算机仿真，实验样机验证相结合的研究方法，主要偏重于二元超冗余机器人机构学理论与方法的研究。
(A) 理论研究部分研究方案及可行性
1) 运用约束螺旋综合理论，完成瞬时并联机构的型综合，特别是3，4自由度并联机构。
研究瞬时并联机构驱动副的选取问题。(可行性：申请人在参与国家自然科学基金项目―少
自由度并联机器人及虚轴机床的机型构造理论及其综合50075074‖研究中，已运用约束螺旋综合理论完成了全部九类少自由度连续运动并联机构的构型综合，以此理论完成瞬时并联机构的型综合是可行的)
2) 以李群李代数理论研究并联机构的运动敏感性与拓扑构型的内在联系，首先以分支位移流形描述并联机构分支运动链末端的运动，再考虑制造误差、装配间隙和构件柔性带来的小位移扭转对分支位移流形代数结构完整性的影响程度，最后选出运动鲁棒性好的并联机构(可行性：这一部分的研究在理论上具有相当难度，经过申请人和法国
J.M.Hervé教授的共同努力，已取得一定成果，目前正在合作撰写一篇在拓扑构型层面上分析3自由度移动并联机构运动敏感性的论文)
3) 在1)，2)研究基础上，以运动敏感性为评价指标，优选出多种3或4自由度并联模
块构型。使用优选并联模块以三种方式构成含5个模块的二元超冗余机器人，包括：单纯3自由度模块；单纯4自由度模块以及3，4自由度并联模块混合三种结构。再运用2)中的研究方法，优选出鲁棒性好的构型(可行性：在1)，2)研究基础上，这一步可以完成) 4) 以并联机器人机构学和空间机构学为工具，研究优选构型的正向运动学、着重深入
研究遗传算法在逆向运动学中的应用(可行性：虽然目前研究尚未深入，但遗传算法用于二元超冗余机器人的逆运动学问题已被证明是可行的) 5) 以并联模块为子结构，使用有限元法把每个并联模块离散为杆单元，求出任意单元
上任意点在系统坐标系中位移、速度，然后计算出整个系统的动能、势能及非保守力所做的功，代入拉格朗日第二类方程，得到二元超冗余机器人的柔性多体动力学模型。推导使用符号数学软件Mathematica为工具(可行性：有限元和拉格朗日方程相结
合的动力学建模方法是柔性多体动力学使用较多的一种方法，通过使用Mathematica,可以完成建模中极为复杂的推导)
6) 在5)的基础上，研究利用李群李代数理论简化动力学模型并给出动力学方程的高效
解法(可行性：动力学模型的合理简化是本项申请的最大难点之一，充分利用李群李代数在约束力学系统中的研究成果，融合并联机器人机构学和模态分析技术，可以完成这一工作)
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7) 以有限元法对二元超冗余机器人系统进行理论模态分析，获取主要振动特性参数，
并通过仿真和样机实验进行验证(可行性：在6)的基础上可以完成) (B) 技术部分研究方案及可行性
8) 在确定结构参数后、运用UG NX和Ansys等CAD/CAE软件进行零部件的实体造型、
装配和整机的外型布局设计、运动学，动力学仿真，有限元分析 9) 设计基于DSP的样机数控硬件系统和以VC＋＋6.0为开发环境下的样机数控软件 10) 完成零部件的加工和整机的装配、调试、标定，并以激振法对样机进行模态分析实
验，测定振动特性参数。
可行性：课题组相关成员能够熟练使用UG NX和Ansys完成复杂机械系统的建模、装配、仿真分析和优化设计的全过程；具有丰富的DSP软、硬件开发和机电产品应用开发经验；申请项目依托的浙江省现代纺织装备技术重点实验室具有良好的软、硬件设施，所以样机研制的工作是可行的。
4、 本项目的特色与创新之处。
特色：针对目前国内外对二元超冗余机器人的研究主要集中于运动学和二元驱动器的状态，选取二元超冗余机器人机构学中若干重要、但尚为空白的基础科学问题为研究方向，包括：构型综合与优选、运动敏感性、柔性多体动力学建模与动力学特性分析等。
创新之处：
? 提出使用瞬时少自由度并联机构作为二元超冗余机器人的模块单元，为瞬
时少自由度并联机构理论研究和应用开拓了新的方向。 ? 提出二元超冗余机器人的构型综合理论及方法
? 提出基于李群的二元超冗余机器人的运动敏感性分析方法。
? 二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模、基于李群李代数理论的动力学
模型简化与算法研究
? 二元超冗余机器人的振动特性分析研究
5、 年度研究计划及预期研究结果。（包括拟组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等）
年度研究计划：
2007年1月－2007年12月
? 国内外文献收集、调研；完成少自由度瞬时并联机构的型综合；与J.M.Hervé
教授合作，继续研究并联机构的运动敏感性，撰写论文。
? 根据运动敏感性从少自由度连续并联机构和瞬时并联机构中优选并联模块构型；
优选二元超冗余机器人构型；优选构型的正、逆向运动学研究及遗传算法的应用。撰写专利申请书和论文
? 开发基于OpenGL的可视化二元超冗余机器人计算机辅助构型综合软件；完成
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控制系统硬件的选购及软件开发；完成优选机型在UG NX和Ansys环境下的零部件建模、装配和仿真。
2008年1月－2007年12月
? 研究二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模，基于李群李代数理论的动力学
模型简化与算法研究，撰写论文
? 研究二元超冗余机器人的振动特性，进行理论模态分析和计算机仿真 ? 完成样机零部件的加工、装配以及机电系统的集成调试
2009年1月－2009年12月
? 研究二元超冗余机器人的柔性多体动力学建模，基于李群李代数理论的动力学
模型简化与算法研究，撰写论文
? 研究二元超冗余机器人的振动特性，进行理论模态分析和计算机仿真 ? 完成样机零部件的加工、装配以及机电系统的集成调试 ? 撰写研究总结报告，准备结题验收 预期研究成果：
在国内外重要期刊、会议发表高水平学术论文6－10篇，其中SCI、EI收录至少5篇；
申报国家发明专利一项、建造一台具有我国自主知识产权的二元超冗余机器人样机 提供二元超冗余机器人构型综合辅助设计软件一套、控制系统软件一套
培养硕士3名
（二）研究基础与工作条件
1、工作基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）
申请者从1997年至今一直从事机器人机构学理论及应用方面的研究，硕士课题研究方向为多机器人协调操作系统动力学建模，博士课题研究方向为少自由度并联机构型综合，目前主要研究领域是少自由度并联机器人机构学理论及技术、李群李代数理论在机械系统中的应用等，已发表论文20余篇，其中SCI收录7篇，EI收录14篇，获发明专利2项。这些研究工作为本项申请的完成奠定了坚实的理论基础。
此外，本项申请主要参加人员均为具有硕士学位的青年教师、平均年龄29岁，具有扎实的理论基础、突出的业务能力、合理的知识结构和良好的团队精神，使本项申请的完成在人力上有了充分的保证。
2、工作条件
申请人为浙江理工大学浙江省现代纺织装备技术重点实验室教师，实验室得到浙江省科技厅的支持，研究人员在机电系统集成技术、计算机集成控制、机械设计及制造、机器人技术应用等方面有丰富的经验和较强的实践能力，可为本项目的实施，特别是样机及控制系统的设计、制造、标定和调试提供重要的帮助和指导。
实验室具有良好的软、硬件设施可供申请项目利用。中心目前实验设备有：Unimation
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