基于神经网络的机器人结构自动分析与综合理论及其应用研究

The core problem in mechanism research is development of new mechanisms. However, we lack of the software for structure analysis and type synthesis of robots, which really delays the rapid development of robotics and obstructs its applications to engineering reality. Therefore,the researches on computer aided design will be carried out in this project, based on the ordered single-opened-chains structure novel theory presented by ourselves. Firstly, the topological structure description of complicated robots will be presented by the way of artificial neural networks; Then the principles and methods of auto-structure analysis and type synthesis will be developed; At last the program structure of corresponding software system will be provided . The main contents are arranged as follow: 1) Digital modeling method of ANNs models for robot topological structures; 2) Efficient algorithm to automatically obtain topological characteristics; 3) Method of automatical structure decompose for complicated robots; 4) Principles and methods of type synthesis; 5) Optimal choice rules of topological types; 6) Manufacture of a novel walking-aided service robot. We belive the researches in this project can promote the original mechanical science, improve the ability of independent innovation in China, and develop a practical tool for engineers and technicians engaged in design of machinery.

机构学的核心是发明创造新机构，而国内外尚缺乏机器人机构自动结构分析和构型综合的大型软件，这不利于机器人机构学的进一步发展及其研究成果在工程实际中的推广应用。因此本项目基于项目组自行提出的序单开链结构学新理论，拟引入神经网络来描述复杂机器人机构的拓扑结构，进而研究其结构分解和构型综合程序化实现的相关原理和算法，提出计算机辅助机构分析与设计软件的实现方案。主要研究内容:1)基于神经网络的机器人拓扑结构数字建模方法；2）计算机自动提取拓扑特征信息的高效算法研究；3）复杂机器人机构结构自动分解算法；4）机器人构型综合程序化实现的原理和算法；5）结构类型优选准则的研究；6）新型截瘫助行服务机器人系统的研发。期望研究成果能为我国原创的现代机构学新理论体系奠定坚实基础，为提高我国自主创新能力作出贡献，并为从事机构设计的工程技术人员提供实用工具。

“认知—掌握—程序化”是一门学科发展的三个必经阶段。应现代机器人机构学发展的需要，研究计算机辅助机构系统设计的基本原理和算法，开发计算机辅助机构分析和设计的软件，是现代机构学发展的重要研究方向，也是提高我国自主创新能力的有效途径。本项目主要研究成果：(1)基于方位特征集理论，研究了拓扑结构自动分析和构型综合的相关原理和算法，并且基于Matlab软件编写了拓扑结构自动分析与构型综合程序，有望开发出的计算机辅助机构分析和设计软件，从而综合出一大批拥有我国自主知识产权的新机型。(2)基于上述理论方法，项目组研制了串联式和串并混联式可穿戴助行机器人样机各1台，有望联合有关企业生产出相应产品，帮助患者早日恢复生活自理能力甚至劳动能力，从而减轻家庭和社会的负担。(3)项目组综合出了一大批3T1R并联机构，其中多项已获得国家授权发明专利，并且对其进行了深入扎实的基础理论研究，期望联合有关企业研制出拥有我国自主知识产权的新型并联操作手，以打破Delta操作手在该领域对国内市场的垄断。