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項目名稱： 并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的現(xiàn)代分析與綜合理論
推薦單位： 教育部
項目簡介： 本項目屬于機(jī)械工程科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。并聯(lián)機(jī)構(gòu)在軍事和民用都有重要應(yīng)用，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)運動耦合和強(qiáng)非線性等特點，是知識密集型機(jī)構(gòu)，也是并聯(lián)機(jī)器人的核心科學(xué)問題，并成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要國際前沿課題。本課題組經(jīng)過20多年的研究，建立了并聯(lián)機(jī)構(gòu)現(xiàn)代分析與綜合的通用理論。
主要內(nèi)容有：(1)建立基于螺旋理論的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合理論，并系統(tǒng)地綜合出全部9種類型機(jī)構(gòu)100多種; (2)提出了基于螺旋理論普遍適用的機(jī)構(gòu)自由度分析方法，解決了現(xiàn)代和歷史上大量矛盾的機(jī)構(gòu)；(3)提出了機(jī)構(gòu)主螺旋的解析識別方法并研究了機(jī)構(gòu)運動螺旋節(jié)距及軸線的分布規(guī)律； (4)提出了性能與構(gòu)件尺度關(guān)系的并聯(lián)機(jī)構(gòu)空間模型理論，可獲得尺度在無窮大范圍內(nèi)變化的全局最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果；(5) 提出并建立了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運動影響系數(shù)理論，它奠定了整個并聯(lián)機(jī)器人運動和動力分析的理論基礎(chǔ)；(6)系統(tǒng)研究了并聯(lián)機(jī)構(gòu)奇異位形及其發(fā)生規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了6/6型并聯(lián)機(jī)構(gòu)的主奇異位形，完整奇異軌跡及其結(jié)構(gòu)特性，還研究了非奇異姿態(tài)空間；(7) 研究了并聯(lián)機(jī)器人動力學(xué)的多方面問題。
整個研究的科學(xué)價值是形成了有學(xué)術(shù)特色的系統(tǒng)的"并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的現(xiàn)代分析與綜合理論"。
該項目發(fā)表論文380篇，其中主要論文139篇，含國際雜志50篇，國際會議72篇。專著5部。獲發(fā)明專利25項。三大檢索共收錄240篇，其中SCI收錄54篇，EI 149篇。"十篇文獻(xiàn)"他引379次。（本項目全部他引總計877次：國際他引共313次，其中SCI他引181次，《中國科學(xué)引文庫》他引564次）
綜合同行們的評價：評論者包括美國等12個國家的許多著名學(xué)者和教授。他們一致肯定了我們的多方面研究，有的認(rèn)為我們在某方面"取得了又一個重要的進(jìn)展"、是 "一個更加一般性的分析"、認(rèn)為我們的研究使得"過去兩年發(fā)生了值得注目的變化"；特別是Rico教授在美國機(jī)械工程學(xué)會的年會上發(fā)表的文章認(rèn)為我們的研究是"最近的十到十五年，在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的型綜合中的5個重要的理論貢獻(xiàn)"之一。
主要發(fā)現(xiàn)點： 本項目經(jīng)過二十余年的研究，主要發(fā)現(xiàn)點有：
1. 首先建立了“基于螺旋理論的對稱少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的機(jī)型綜合理論”。這個理論在提出當(dāng)時（2003）是唯一能綜合出全部9種類型（自由度限于3、4、5）對稱的少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的理論�；诖死碚撨�綜合出該9類的100多種機(jī)構(gòu)。解決了機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合的難題。此外還提出解耦并聯(lián)機(jī)構(gòu)構(gòu)型綜合理論，綜合出一批解耦的并聯(lián)機(jī)構(gòu)。（“十篇論著”中的第1、2、3、4、7、8；屬于“機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué)”范疇）
2. 在1997年就創(chuàng)建了“統(tǒng)一的基于螺旋理論的機(jī)構(gòu)自由度分析原理”。提出處理機(jī)構(gòu)過約束的基本思想：將過約束分為公共約束及表示并聯(lián)過程發(fā)生的冗余約束因子兩部分；2002及2003形成包括修正的Grübler-Kutzbach公式的基于螺旋理論的機(jī)構(gòu)自由度分析原理和一套方法。并分析了幾乎所有并聯(lián)機(jī)構(gòu)及大部分古典“荒謬”的機(jī)構(gòu)。（“十篇論著”中的第1、2、3、8；屬于“機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué)”范疇）
3. 建立了“并聯(lián)機(jī)構(gòu)性能與構(gòu)件尺度關(guān)系的空間模型理論”。把并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)無限的有量綱的尺度參數(shù)變換成有限的無量綱參數(shù)，從而可獲得尺度在無窮大范圍內(nèi)變化的全局最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。為對稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)的尺度優(yōu)化綜合提供了簡單高效的設(shè)計理論。（“十篇論著”中的第5、6；屬于“機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué)”范疇）
4. 在少自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)的特殊運動性質(zhì)的研究方面，提出“識別機(jī)構(gòu)運動螺旋系的主螺旋的圓錐曲線和二次曲面分解的原理”，闡明了“3自由度機(jī)構(gòu)瞬時運動的螺旋節(jié)距和軸線的分布規(guī)律”。為并聯(lián)機(jī)器人的運動特征分析和運動軌跡規(guī)劃提供了理論基礎(chǔ)，同時也發(fā)展了螺旋理論。（“十篇論著”中的第9、10；屬于“機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué)”范疇）
5. 在并聯(lián)機(jī)構(gòu)的奇異位形上，早在1987年“建立了6/6-Stewart型的Jacobian矩陣并發(fā)現(xiàn)了它的主奇異位形（繞Z軸轉(zhuǎn)90度奇異）” 。近年“揭示了Stewart的完整奇異曲面和特殊的曲面結(jié)構(gòu)，又揭示出并聯(lián)機(jī)構(gòu)非奇異的姿態(tài)空間和建立姿態(tài)圓球”。（“十篇論著”中的第1；屬于“機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué)”范疇）
6. 早在1985年創(chuàng)立了“并聯(lián)機(jī)器人普遍適用的運動學(xué)影響系數(shù)原理” ，同時并建立“并聯(lián)機(jī)構(gòu)的速度和加速度的解析式和建立動力學(xué)模型”。這一理論奠定了我們的并聯(lián)機(jī)器人運動學(xué)和動力學(xué)分析的基礎(chǔ)。（“十篇論著”中的第1、9；屬于“機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué)”范疇）
7. 提出了“基于影響系數(shù)理論的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的超確定輸入原理”。實現(xiàn)了超確定輸入下的速度協(xié)調(diào)和能量優(yōu)化分配。此外還在并聯(lián)機(jī)構(gòu)動力學(xué)方面做出貢獻(xiàn)。（“十篇論著”中的第1；屬于“機(jī)械原理與機(jī)構(gòu)學(xué)”范疇）
總之，上述研究形成了“有學(xué)術(shù)特色的并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)的現(xiàn)代分析與綜合理論”。應(yīng)用基于上述發(fā)現(xiàn)點，我們發(fā)明了許多新機(jī)型應(yīng)用在尖端武器、重大裝備、地震研究、機(jī)器人、微操作機(jī)器人、醫(yī)療器械、傳感器等許多方面；并且還為有關(guān)公司解決了并聯(lián)機(jī)構(gòu)設(shè)計方面的重要關(guān)鍵技術(shù)問題。
主要完成人： 1. 黃真
黃真是本項目的總負(fù)責(zé)人，20余年來本項目的研究的各個方面都是基于黃真提出的有創(chuàng)建的新思想為指導(dǎo)開展的。工作量85％投入。
20年來的研究成績是離不開許多研究生的杰出的研究和貢獻(xiàn)，由于名額限制，遺憾的是在這里不能全部列出。有曲義遠(yuǎn)，趙永生，王洪波，陳隆輝，王晶，曹 毅，夏 平，石鎮(zhèn)德、朱思俊，郭希娟、劉德庸，王洪瑞，李艷文，張立杰，李仕華，陶王送，孔憲文，左榮國，羅勇，劉婧芳等等，在此我必須聲明和感謝。
（在主要發(fā)現(xiàn)點1、2、4、5、6、7和應(yīng)用上做出貢獻(xiàn)。）
2. 高峰
高峰是黃真的第一位博士生，91年掛靠北航答辯獲博士學(xué)位。在燕大期間在一些理論上做出貢獻(xiàn)外，還參加完成我國的第一臺并聯(lián)機(jī)器人的研制（1990），和我國第一臺具有彈性鉸鏈微動并聯(lián)機(jī)器人（1992）的研制。88年到99年直接屬于本課題組。在本項目中負(fù)責(zé)過國家杰出青年基金及863等項目。他在本項研究中的工作量占他工作量的百分比：>75％。
（在主要發(fā)現(xiàn)點1、3、7和應(yīng)用上做出貢獻(xiàn)。）
3. 趙鐵石
綜合出第一個4自由度對稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)，并提出機(jī)構(gòu)的變型原理，這兩個是十分重要的突破，取得創(chuàng)造性成績。在步行機(jī)的仿生上取得創(chuàng)新。他在本項研究中的工作量占他工作量的百分比：80％，含上課。
（在發(fā)現(xiàn)點2、7、8條上做出成績，發(fā)明并研制了4自由度微操作機(jī)器人、并聯(lián)醫(yī)療裝置等。）
4. 李秦川
在少自由度機(jī)構(gòu)的自由度分析及綜合理論的創(chuàng)建及系統(tǒng)性上做出重要成績，在以此理論為指導(dǎo)在新機(jī)型的綜合中取得了突出的貢獻(xiàn)。系統(tǒng)地綜合出全部9類100余種機(jī)型。工作是在攻讀博士期間完成的，該人在本項研究中的工作量占他工作量的百分比：95％。
（在主要發(fā)現(xiàn)點1、2上做出貢獻(xiàn)。）
5. 方躍法
他的貢獻(xiàn)主要是他在燕山大學(xué)做碩士和博士后期間取得的，也包括后來在北京交通大學(xué)完成的，在燕大和北京交大期間在本項研究中的工作量分別占他工作量的百分比為95％和60％。
他是專著《并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制》一書的第三作者；在研究三自由度并聯(lián)機(jī)器人的瞬時運動及主螺旋的識別上，做出了重要的貢獻(xiàn)。
（在主要發(fā)現(xiàn)點1、3上做出貢獻(xiàn)。）
10篇代表性論文： 1. 《并聯(lián)機(jī)器人機(jī)構(gòu)學(xué)理論及控制》，機(jī)械工業(yè)出版社(中文)
2. Type synthesis of symmetrical lower-mobility parallel mechanisms using constraint-synthesis method, Int J of Rob Research, 22(1): 59-79
3. General Methodology for Type Synthesis of Lower-Mobility Symmetrical Parallel Manipulators and Several Novel manipulators. Int J of Robotics Research, 21(2): 131-145
4. New kinematic structures for 2-, 3-, 4-, and 5-DOF parallel manipulator designs, MECHANISM AND MACHINE THEORY 37 (11): 1395-1411
5. A physical model of the solution space and the atlases of the reachable workspaces for 2-DOF parallel planar manipulators. Mech and Machine Theory, 31(2):173-184
6. Performance Evaluation of Two Degree of Freedom Planar Parallel Robots. Mechanism and Machine Theory, 1998, 33( 6): 661-668.
7. Type synthesis of 3R2T 5-DOF parallel mechanisms using the lie group of displacements, IEEE TRANS ON ROBOTICS AND AUTO 20 (2): 173-180 APR 2004
8. Geometric Analysis of Overconstrained Parallel Manipulators with Three and Four Degrees of Freedom, JSME International Journal, Series C, 45(3):730-740
9. Kinematics of a 3－DOF In-parallel Actuated Manipulator Mechanism, Mechanism and Machine Theory 32(7):789-796
10. Identification of principal screws of 3-DOF parallel manipulators by quadric degeneration, Mechanism and Machine Theory, 2001, Vol 36(8): 893-911
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