国家基金申请书(青年项目).docx

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国家基金申请书(青年项目).docx

国家自然科学基金申请书

申请代码：

E051103

受理部门：

收件日期：

受理编号：

第18页版本1.004.326

国家自然科学基金

申请书

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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：

057186843349

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：

0571-86843052

电子邮件：

lqchuan@

申报日期：

2006年3月16日

国家自然科学基金委员会

基本信息vFqhphiRxA

申请者信息

姓名

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

057186843349

电子邮件

lqchuan@

传真

057186843349

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

代码

31001204

联系人

张琪

电子邮件

zhangqi@

电话

0571-86843052

网站地址

合作单位信息

单位名称

代码

项目基本信息

项目名称

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

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）

1978-11-5

女

讲师

硕士

浙江理工大学

057186843323

cheny5238@

运动学、动力学

1978-9-26

男

助理实验师

硕士

浙江理工大学

057186843315

zhawlai@

理论与实验模态分析

1978-6-22

女

助教

硕士

浙江理工大学

057186843315

bj0622@

控制系统

1976-3-12

女

讲师

硕士

浙江理工大学

057186843315

yangjunxiu@

动力学理论

1981-9-2

男

硕士生

学士

浙江理工大学

057186843349

ccl@

理论分析

1983-4-5

男

硕士生

学士

浙江理工大学

057186843349

heleiying@

样机制造

1979-2-24

男

硕士生

学士

浙江理工大学

057186843349

kongxiangjiang@

样机制造

总人数

高级

中级

初级

博士后

博士生

硕士生

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。

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

20.8000

1.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

1.0000

5.协作费

二.国际合作与交流费

3.5000

1.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

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

l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。

图4.MIT二元超冗余机器人在星际探索中的应用

l二元超冗余机器人系统的国内外研究现状及分析

uJHUChirikjian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

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