少自由度并联机构创新与系统集成设计

少自由度并联机构是国际机构学的研究热点，在速度、精度、静动态特性、作业灵活性和可重构性方面具有独特优势，以其为主机构的新一代机器人已在航空航天、汽车、能源、电子、食品医药等领域得到应用。我国虽在该领域理论研究方面基础良好，但在真实机构创新和工程设计等方面差距显著。本项目面向国际机构学前沿和国家发展高端装备制造业重大需求，研究少自由度并联机构创新和集成设计理论与方法，发明具有工程实用价值的新机构，提出可指导拓扑结构优选和参数优化设计的性能评价指标体系，掌握4自由度高速并联机器人和5自由度高刚度混联机器人两种真实产品的设计方法与流程，搭建数字样机集成设计平台和零部件性能测试系统，开发一台大型结构件加工/装配用5自由度高刚度混联机器人样机，形成以机构学基础理论研究与机械产品工程设计紧密结合为特色的少自由度并联机构创新与集成设计体系，为我国新型机器人自主创新与工程设计奠定理论与技术基础。

少自由度并联机构是国际机器人机构学的研究热点，以其为主机构的机器人化作业装备在速度、精度、刚度、动态特性、可重构性等方面具有独特的优势，在航天航空、汽车、能源、电子、食品、医药等领域有着非常广阔的应用前景。项目团队在黄田教授带领下依托国家自然科学基金重点项目，围绕“少自由度并联机构创新设计和系统集成”的共性和关键科学问题，在基础理论，设计工具、样机研制、工程应用取得了如下成果：.提出将机构自由度和约束表述相应维数线簇的图线法，建立了一套简洁直观的构型综合方法，发明了多种具有实用价值的并联机构新构型。采用对偶空间理论，揭示出少自由度运动链力与微小位移旋量子空间的内在联系，提出采用归一化互易积度量奇异位形及运动学性能的新方法，建立了少自由度并联机构力与运动性能评价的理论体系。提出并联机构数字化集成设计平台体系架构，开发出集骨架快速建模、运动学分析于一体的概念设计系统，以及可实现静力学、刚体和弹性动力学性能全域快速预估的详细设计系统，形成了支持并联构型装备数字化设计的重要软件工具。提出高速并联机构动力尺度综合新方法，实现了尺度-结构-驱动器参数的集成设计，开发出达到国际先进水平的产品样机；提出基于静刚度约束的5自由度混联机构轻量化设计方法，开发出高性能机器人工作站。利用项目成果研制的高速并联机器人已在我国食品、医药等行业自动化生产线上得到规模应用，高性能混联机器人工作站已在大口径非球面光学器件精密抛光中得到应用，为国家重大科学工程关键部件研制提供了核心装备。.项目研究成果获国家技术发明二等奖1项，省部级技术发明一等奖2项、二等奖1项。培养国家杰青2人，优青1人，“长江学者”特聘教授1人，“万人计划”领军人才1人，德国洪堡学者2人，硕/博士研究生28人。出版/参编学术专著/手册4部，发表学术论文56篇，其中SCI检索论文34篇，EI检索论文12篇。授权/公开国家发明专利21件，软件著作权3件。主办ReMAR 2012，Parallel 2014，IFToMM-Asian 2014等重要国际会议4次，邀请国内外专家讲学12次，派成员出国交流进修14次，应邀作国际会议大会报告7次。