变胞多指机械手活动机理之工作空间、操作度和灵巧度研究

本项目运用变胞机构原理，研究具有柔性手掌的变胞仿生手运动机理，分析变胞仿生手引入掌部柔性特征对机械手工作空间、操作度和灵巧度的影响，解决变胞仿生手灵巧度的设计瓶颈。本项目主要研究内容为：建立变胞灵巧手综合数学模型；研究变胞手掌拓扑空间与多手指抓举姿态的映射关系，分析变胞手掌对多指手操作度和灵巧度等各项性能的影响；优化变胞多指灵巧手结构与抓持对象参数设计，并建立变胞仿生手的综合性能指标与设计准则，建立变胞多指手实验平台，通过试验验证理论研究和模拟分析结果。项目研究将有效地应用微分几何、旋量理论和奇异值分解等工具，并将提出新的四维流形来研究该机械手的工作空间和灵巧度。这一研究将先进机构学有效地与机器人学巧妙结合，融合机构学研究的前沿理论，对发展先进机械手和推动可重构机构理论与方法具有重要意义。

多指灵巧手的研发是服务机器人走向医疗、服务、太空操作、核工业操作等应用领域的一个关键技术环节。对于国际首创变胞多指灵巧手，本项目深入研究了其变胞机理以及综合性能评价指标，首次研究其活动机理、操作度和灵巧度，攻克其科学与设计难题，推出了能够根据抓持物体的形状以及工作环境的变化调整自身拓扑构态的具有我国自主知识产权的变胞灵巧手，使我国在多指灵巧手研究领域达到国际领先水平，并为拓扑结构复杂、可重构机器人的工作机理与性能评价研究储备了理论基础。. 本项目已完成的研究内容与重要成果可概括为以下方面。在抓持理论方面，首次引入Darboux参考系及微分几何方法，建立了物体与手指接触的旋转滚动运动数学模型；通过微分几何中伴随方法，将滑移运动引入到变胞手，建立了滑移滚动运动的数学模型。在灵巧手数学模型上，本项目通过互易旋量与奇异值分解首次建立了融合手掌运动的多指手雅克比矩阵，解决手掌引入增加的变胞灵巧手数学建模与综合性能评价的问题。本项目在国际上首次建立了多指灵巧手融合手掌运动的数学模型，解决了复杂、拓扑可变机构的逆解问题。在灵巧手分析上，创造性地提出了基于几何约束以及旋量互易性、奇异值分解的逆解模型；通过高斯映射建立手掌运动与手指运动的流形，研究变胞手掌对多指灵巧手工作空间的影响机理；通过奇异值分解，解决了变胞多指手的操作度与灵巧度评价的理论难题。同时在研究开发方面，本项目研制基于仿人手的变胞灵巧手，以及基于服务机器人的变胞多指手，攻克手指运动与变胞手掌运动解耦的设计难题，造出可根据物体形状、重量及抓持方式的变化调整自身的拓扑构态的样机，实现基于触觉或视觉信息的折纸操作以及双手协调操作。.本项目执行中，发表26篇高水平研究论文，其中SCI检索14篇，EI检索17篇；获得授权专利6项，在审专利1项；创办并主办第二届IEEE/ASME可重构机构与机器人国际大会，十余名机构学与机器人学国际领军做主题报告，近二百余国内外学者参会，大会论著由 Springer出版。举办国际学术会议4次。参加学术会议15人次；指导在读博士生7名，硕士生7名，已毕业硕士生3名；开发变胞灵巧手样机1台，取得成果远超预期指标，在国内外学术界取得了重大反响与广泛好评。与此同时，出版了《旋量代数与李群李代数》、《机构学与机器人学的几何基础与旋量代数》两部机构学与机器人学重要专著，受到国内外学术界极高评价。