项目名称：    并联机器人机构学的现代分析与综合理论

推荐单位：    教育部

项目简介：    本项目属于机械工程科学技术领域。并联机构在军事和民用都有重要应用，存在结构复杂、强运动耦合和强非线性等特点，是知识密集型机构，也是并联机器人的核心科学问题，并成为机器人研究领域的重要国际前沿课题。本课题组经过20多年的研究，建立了并联机构现代分析与综合的通用理论。

主要内容有：(1)建立基于螺旋理论的少自由度并联机构构型综合理论，并系统地综合出全部9种类型机构100多种; (2)提出了基于螺旋理论普遍适用的机构自由度分析方法，解决了现代和历史上大量矛盾的机构；(3)提出了机构主螺旋的解析识别方法并研究了机构运动螺旋节距及轴线的分布规律； (4)提出了性能与构件尺度关系的并联机构空间模型理论，可获得尺度在无穷大范围内变化的全局最优的设计结果；(5) 提出并建立了并联机构的运动影响系数理论，它奠定了整个并联机器人运动和动力分析的理论基础；(6)系统研究了并联机构奇异位形及其发生规律，发现了6/6型并联机构的主奇异位形，完整奇异轨迹及其结构特性，还研究了非奇异姿态空间；(7) 研究了并联机器人动力学的多方面问题。

整个研究的科学价值是形成了有学术特色的系统的"并联机器人机构学的现代分析与综合理论"。

该项目发表论文380篇，其中主要论文139篇，含国际杂志50篇，国际会议72篇。专著5部。获发明专利25项。三大检索共收录240篇，其中SCI收录54篇，EI 149篇。"十篇文献"他引379次。（本项目全部他引总计877次：国际他引共313次，其中SCI他引181次，《中国科学引文库》他引564次）

综合同行们的评价：评论者包括美国等12个国家的许多著名学者和教授。他们一致肯定了我们的多方面研究，有的认为我们在某方面"取得了又一个重要的进展"、是 "一个更加一般性的分析"、认为我们的研究使得"过去两年发生了值得注目的变化"；特别是Rico教授在美国机械工程学会的年会上发表的文章认为我们的研究是"最近的十到十五年，在并联机构的型综合中的5个重要的理论贡献"之一。

主要发现点：  本项目经过二十余年的研究，主要发现点有：

1. 首先建立了“基于螺旋理论的对称少自由度并联机构的机型综合理论”。这个理论在提出当时（2003）是唯一能综合出全部9种类型（自由度限于3、4、5）对称的少自由度并联机构的理论。基于此理论还综合出该9类的100多种机构。解决了机构构型综合的难题。此外还提出解耦并联机构构型综合理论，综合出一批解耦的并联机构。（“十篇论著”中的第1、2、3、4、7、8；属于“机械原理与机构学”范畴）

2. 在1997年就创建了“统一的基于螺旋理论的机构自由度分析原理”。提出处理机构过约束的基本思想：将过约束分为公共约束及表示并联过程发生的冗余约束因子两部分；2002及2003形成包括修正的Grübler-Kutzbach公式的基于螺旋理论的机构自由度分析原理和一套方法。并分析了几乎所有并联机构及大部分古典“荒谬”的机构。（“十篇论著”中的第1、2、3、8；属于“机械原理与机构学”范畴）

3. 建立了“并联机构性能与构件尺度关系的空间模型理论”。把并联机器人机构无限的有量纲的尺度参数变换成有限的无量纲参数，从而可获得尺度在无穷大范围内变化的全局最优的设计结果。为对称并联机构的尺度优化综合提供了简单高效的设计理论。（“十篇论著”中的第5、6；属于“机械原理与机构学”范畴）

4. 在少自由度并联机构的特殊运动性质的研究方面，提出“识别机构运动螺旋系的主螺旋的圆锥曲线和二次曲面分解的原理”，阐明了“3自由度机构瞬时运动的螺旋节距和轴线的分布规律”。为并联机器人的运动特征分析和运动轨迹规划提供了理论基础，同时也发展了螺旋理论。（“十篇论著”中的第9、10；属于“机械原理与机构学”范畴）

5. 在并联机构的奇异位形上，早在1987年“建立了6/6-Stewart型的Jacobian矩阵并发现了它的主奇异位形（绕Z轴转90度奇异）” 。近年“揭示了Stewart的完整奇异曲面和特殊的曲面结构，又揭示出并联机构非奇异的姿态空间和建立姿态圆球”。（“十篇论著”中的第1；属于“机械原理与机构学”范畴）

6. 早在1985年创立了“并联机器人普遍适用的运动学影响系数原理” ，同时并建立“并联机构的速度和加速度的解析式和建立动力学模型”。这一理论奠定了我们的并联机器人运动学和动力学分析的基础。（“十篇论著”中的第1、9；属于“机械原理与机构学”范畴）

7. 提出了“基于影响系数理论的并联机构的超确定输入原理”。实现了超确定输入下的速度协调和能量优化分配。此外还在并联机构动力学方面做出贡献。（“十篇论著”中的第1；属于“机械原理与机构学”范畴）

总之，上述研究形成了“有学术特色的并联机器人机构学的现代分析与综合理论”。应用基于上述发现点，我们发明了许多新机型应用在尖端武器、重大装备、地震研究、机器人、微操作机器人、医疗器械、传感器等许多方面；并且还为有关公司解决了并联机构设计方面的重要关键技术问题。

主要完成人：  1.   黄真

黄真是本项目的总负责人，20余年来本项目的研究的各个方面都是基于黄真提出的有创建的新思想为指导开展的。工作量85％投入。

20年来的研究成绩是离不开许多研究生的杰出的研究和贡献，由于名额限制，遗憾的是在这里不能全部列出。有曲义远，赵永生，王洪波，陈隆辉，王晶，曹 毅，夏 平，石镇德、朱思俊，郭希娟、刘德庸，王洪瑞，李艳文，张立杰，李仕华，陶王送，孔宪文，左荣国，罗勇，刘婧芳等等，在此我必须声明和感谢。

（在主要发现点1、2、4、5、6、7和应用上做出贡献。）

2.   高峰

高峰是黄真的第一位博士生，91年挂靠北航答辩获博士学位。在燕大期间在一些理论上做出贡献外，还参加完成我国的第一台并联机器人的研制（1990），和我国第一台具有弹性铰链微动并联机器人（1992）的研制。88年到99年直接属于本课题组。在本项目中负责过国家杰出青年基金及863等项目。他在本项研究中的工作量占他工作量的百分比：>75％。

（在主要发现点1、3、7和应用上做出贡献。）

3.   赵铁石

综合出第一个4自由度对称并联机构，并提出机构的变型原理，这两个是十分重要的突破，取得创造性成绩。在步行机的仿生上取得创新。他在本项研究中的工作量占他工作量的百分比：80％，含上课。

（在发现点2、7、8条上做出成绩，发明并研制了4自由度微操作机器人、并联医疗装置等。）

4.   李秦川

在少自由度机构的自由度分析及综合理论的创建及系统性上做出重要成绩，在以此理论为指导在新机型的综合中取得了突出的贡献。系统地综合出全部9类100余种机型。工作是在攻读博士期间完成的，该人在本项研究中的工作量占他工作量的百分比：95％。

（在主要发现点1、2上做出贡献。）

5.   方跃法

他的贡献主要是他在燕山大学做硕士和博士后期间取得的，也包括后来在北京交通大学完成的，在燕大和北京交大期间在本项研究中的工作量分别占他工作量的百分比为95％和60％。

他是专著《并联机器人机构学理论及控制》一书的第三作者；在研究三自由度并联机器人的瞬时运动及主螺旋的识别上，做出了重要的贡献。

（在主要发现点1、3上做出贡献。）

10篇代表性论文：  1.   《并联机器人机构学理论及控制》，机械工业出版社(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