国家自然科学基金申请书
受理编号
资助类别：国家自然科学基金申请书
2017
面上项目
亚类说明:
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: 电话：
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申报日期：2018年12月15日
国家自然科学基金委员会
基本信息
（金额单位：万元）
报告正文
一）立项）依据与研究内容（4000-8000字）：
1.项目的立项依据（研究意义、国内外研究现状及发展动态分析，需结合科学研究发展趋势来论述科学意义；或结合国民经济和社会发展中迫切需要解决的关键科技问题来论述其应用前景。附主要参考文献目录）
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（Binary Hyper Redundant Robot）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]o 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] o 二元驱动器（Binary actuator）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. MIT S.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MIT S.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，但却和同为串一并联机构的变几何桁架机构有本质的区别。
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R
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图2. MIT S.Dubowsky研究组开发的二元超冗余机器人
100
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
二元超冗余机器人系统的国内外研究现状及分析
JHU Chirikjian 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 ⑹、
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⑺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 ⑹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点
密度的运动学反解算法［6,9,13,14］，这种方法将工作空间离散成一定数目的单元，然后对每 个单元分别计算工作空间点密度。尽管该方法速度很快，但离散工作空间需要占用大量 计算机内存。为了避免内存瓶颈的影响，
Suthakorn 和Chirikjian 又提出只考虑工作空间
000 011
010
101 110 111
图3. 3-RRS 二元并联机构的
8个位姿