国家基金申请书(青年项目)

申请代码：E051103受理部门：收件日期：受理编号：解除保护国家自然科学基金申请书资助类别：面上项目亚类说明：青年科学基金项目附注说明：项目名称：二元超冗余机器人构型综合及动力学特性分析研究申请者：李秦川电话：[phone]依托单位：浙江理工大学通讯地址：浙江杭州下沙浙江理工大学597信箱邮政编码：310018单位电话：[phone]电子邮件：[e-mail]申报日期：2006年3月16日国家自然科学基金委员会国家自然科学基金申请书第2页版本1.004.326基本信息vFqhphiRxA申请者信息姓名李秦川性别男出生年月1975年2月民族汉族学位博士职称副教授主要研究领域并联机器人机构学，机电一体化电话[phone]电子邮件[e-mail]传真[phone]个人网页工作单位浙江理工大学/机械与自动控制学院在研项目批准号依托单位信息名称浙江理工大学代码31001204联系人张琪电子邮件[e-mail]电话[phone]网站地址合作单位信息单位名称代码[在此录入修改][在此录入修改]项目基本信息项目名称二元超冗余机器人构型综合及动力学特性分析研究资助类别面上项目亚类说明青年科学基金项目附注说明申请代码E051103:机器人机构与系统E051102:机构运动学与动力学基地类别预计研究年限2007年1月—2009年12月研究属性应用基础研究申请经费30.0000万元摘要(限400字)：二元超冗余机器人具有不需要反馈控制、精度高、低成本、轻质、高负载能力等优点，在航空航天、医疗、精密操作等领域具有良好的应用前景。本项申请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、振动特性分析等理论问题，以实验样机验证理论成果，并探索其实际工程应用。二元超冗余机器人属于一项前瞻性的应用基础研究，在国际上方兴未艾，国内基本尚为空白，及时地开展相关研究，有助于尽早取得理论和关键技术上的自主创新，占据此新兴领域的制高点。关键词(用分号分开，最多5个)并联机构；型综合；动力学；二元驱动国家自然科学基金申请书第3页版本1.004.326项目组主要成员（注:项目组主要成员不包括项目申请者，国家杰出青年科学基金类项目不填写此栏。）编号姓名出生年月性别职称学位单位名称电话电子邮件项目分工每年工作时间（月）1陈巧红1978-11-5女讲师硕士浙江理工大学[e-mail]运动学、动力学72赵文来1978-9-26男助理实验师硕士浙江理工大学[e-mail]理论与实验模态分析63鲍佳1978-6-22女助教硕士浙江理工大学[e-mail]控制系统64杨俊秀1976-3-12女讲师硕士浙江理工大学[e-mail]动力学理论65陈崇来1981-9-2男硕士生学士浙江理工大学[e-mail]理论分析76贺磊盈1983-4-5男硕士生学士浙江理工大学[e-mail]样机制造77孔祥江1979-2-24男硕士生学士浙江理工大学[e-mail]样机制造78[在此录入修改]9[在此录入修改]总人数高级中级初级博士后博士生硕士生81223说明:高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报（含申请者），总人数自动生成。国家自然科学基金申请书第4页版本1.004.326经费申请表（金额单位：万元）科目申请经费备注（计算依据与说明）一.研究经费20.80001.科研业务费7.8000（1）测试/计算/分析费1.0000虚拟样机设计及相应软件费用（2）能源/动力费0.8000水、电费用等（3）会议费/差旅费3.0000参加国内、国际会议2万,研究调研差旅费1万（4）出版物/文献/信息传播费3.0000论文版面费、专利申请、文献检索、查新、复印购买书籍资料等（5）其它2.实验材料费3.4000（1）原材料/试剂/药品购置费3.4000加工样机所需原材料购置、实验耗材（2）其它3.仪器设备费8.6000（1）购置4.0000购买控制系统主机、DSP芯片、数据采集卡、传感器等（2）试制4.6000一台样机及控制系统设计及加工4.实验室改装费1.00005.协作费二.国际合作与交流费3.50001.项目组成员出国合作交流2.境外专家来华合作交流3.5000邀请法国专家J.M.Herve来华讲学两周三.劳务费4.2课题组成员劳务费四.管理费1.5总经费5%合计30.0000与本项目相关的其他经费来源国家其他计划资助经费其他经费资助（含部门匹配）其他经费来源合计0.0000国家自然科学基金申请书第5页版本1.004.326查看报告正文撰写提纲报告正文二元超冗余机器人构型综合及动力学特性分析研究一、报告正文：参照以下提纲撰写，要求内容翔实、清晰，层次分明，标题突出。（一）立项依据与研究内容（4000-8000字）：1.项目的立项依据项目背景及研究意义在人类认识世界、改造世界的发展进程中，作为重要手段和工具的机器人正面临越来越多的新挑战。对于相当多的任务而言，人们希望开发出轻质、控制简单、成本低、鲁棒性强、高精度的机器人。目前，大多数机器人系统都属于连续驱动机器人系统，即机器人中各关节都可作连续运动，而且使用连续驱动器，如电机、液压缸等。为实现机器人运动的高精度和高重复运动精度，必须使用复杂且昂贵的控制系统和传感器，从而带来系统复杂性加大、重量、成本和能耗增加，可靠性降低等副作用。为了减少或去除这些副作用，各国学者提出了各种理论与方法，在过去的十余年中(1994-2005)，二元驱动技术和机器人技术相结合产生的二元超冗余机器人(BinaryHyperRedundantRobot)逐渐显示出良好的前景和可观的应用潜力，成为当前国际机器人学界的前沿研究主题之一[1,5~23]。MIT(麻省理工学院)的Dubowsky教授，JHU(约翰霍普金斯大学)的Chirikjian教授等学者认为，二元驱动对机器人系统的影响可能会如同数字电路对电子系统的影响一般深远[1,20]。二元驱动器(Binaryactuator)是离散驱动器中特殊的一类，只具有两个离散的稳定状态，即0或1，对应于驱动器的两个极限位置，例如电磁铁。图1所示为MIT的S.Dubowsky研究组开发的二元驱动器。图1.MITS.Dubowsky研究组开发的二元驱动器二元超冗余机器人则是由多个二元驱动的并联机器人模块串联而成，如图2所示为MITS.Dubowsky研究组开发的以3-RRS并联机构为模块的二元超冗余机器人[16-20]，在国家自然科学基金申请书第6页版本1.004.326每个RRS分支运动链中有一个二元驱动器，这样动平台的工作空间由23个点组成，每个点上姿态是确定的，如图3所示[16]。由于单个二元机器人工作空间位姿有限，为了完成一定的操作任务，必须将多个二元机器人模块串联成二元超冗余机器人。因此二元超冗余机器人的工作空间是一个离散的点集，包含2n个点，n是驱动器数。如果不考虑驱动方式，纯粹从机构拓扑结构来看，二元超冗余机器人属于串－并联机构，但却和同为串－并联机构的变几何桁架机构有本质的区别。图2.MITS.Dubowsky研究组开发的二元超冗余机器人图3.3-RRS二元并联机构的8个位姿和传统的连续驱动机器人系统相比，二元机器人系统的优点在于：不需要反馈控制、定位精度和重复定位精度高、低成本、轻质、高负载能力、更简单的计算机控制接口、鲁棒性强(部分驱动器失效后仍能完成操作)；其缺点在于：离散的工作空间、运动学逆解运算量极大等[1,20]。总的来说，二元超冗余机器人从概念形成到研究展开不过仅仅十几年，在星际探索、医疗、精密操作等方面都有着良好的应用前景，如MIT野外与空间机器人实验室的S.Dubowsky教授连续获得NASA(美国国家航天局)先进概念计划的资助，正在研究二元超冗余机器人在星际探索中的应用，如作为步行机的足以适应行星上复杂的地形，或作为机械臂等，如图4所示。目前二元超冗余机器人属于一项前瞻性的应用基础研究，在国际上方兴未艾，国内基本尚为空白，及时地开展相关研究，有助于尽早取得理论和关键技术上的自主创新，占据此新兴领域的制高点。国家自然科学基金申请书第7页版本1.004.326图4.MIT二元超冗余机器人在星际探索中的应用二元超冗余机器人系统的国内外研究现状及分析JHUChirikjian团队研究工作[1,5~14]Chirikjian等对二元超冗余机器人系统的研究主要集中于运动学，包括运动学正解[8]、运动学反解[6,9,13,14]、工作空间[6,9]、参数综合[5,10-11]和轨迹规划[7]等，其建造的实验系统的模块有两种，一种是平面变几何珩架机构；一种是Stewart并联机构，并以气缸作为二元驱动器，结构较为粗笨。二元超冗余机器人运动学正解相对简单，Lee和Chirikjian[8]提出一种基于齐次变换的运动学正解计算方法。对二元机器人系统，运动学反解是通过搜索二元机器人的位姿空间得到和期望姿态误差最小的末端操作手位姿。Chirikjian等提出了基于工作空间点密度的运动学反解算法[6,9,13,14]，这种方法将工作空间离散成一定数目的单元，然后对每个单元分别计算工作空间点密度。尽管该方法速度很快，但离散工作空间需要占用大量计算机内存。为了避免内存瓶颈的影响，Suthakorn和Chirikjian又提出只考虑工作空间中心的改进算法[12]，但该算法的准确性严重依赖于机器人单元模块的形状和工作空间的位姿。文献[5]对二元超冗余机器人系统的工作空间和参数优化问题进行了研究；文献[10]使用欧氏群上的傅立叶变换对二元机器人进行尺度综合；文献[11]通过离散运动群上的傅立叶变换来快速计算二元机器人的位姿和工作空间。MITDubowsky团队研究工作[15-20]Dubowsky在美国国家航天局先进概念研究所(NASAInstituteforAdvancedConcepts)资助下，正在研究以星际探索为应用背景的二元超冗余机器人系统。Dubowsky等提出了二元机器人驱动智能装置BRAID(BinaryRoboticArticulatedIntelligentDevice)的概念，并进行了大量相关理论和实验技术研究[15-20]。BRAID实际上就是以多个采用嵌入式二元驱动器和柔性铰链的3自由度3-RPS并联机构为模块，串联构成面向不同任务的二元超冗余机器人系统，具有轻质、简单、鲁棒等优点。可用作步行机足，两台火星车之间的连接器、机械手等。文献[15]提出将二元驱动机器人用于空间探索，介绍了相关5项实验研究，其中一项即为BRAID；文献[16]则对基于BRAID的二元超冗余机器人系统的结构设计、驱动国家自然科学基金申请书第8页版本1.004.326器及控制、运动学等做了研究。值得注意的是，文献[16]中提出一种基于遗传算法的运动学反解方法，由于二元机器人系统的本身固有的“0/1”特性，遗传算法在运动学反解中很有应用潜力，但目前研究尚未深入。文献[15,16]中的实验装置都采用了记忆合金二元驱动器。文献[17,18]研究了使用介质聚合物二元驱动器的BRAID的运动学，驱动器优化等。文献[19]研究了模块化可重构的BRAID及电磁二元驱动器的设计。文献[20]则是对以前工作的阶段性介绍。其他研究工作[21-23]Zanganeh和J.Angeles提出基于样条曲线的运动学反解方法