如今，工業(yè)機器人已成為制造業(yè)的重要“勞動力”。相比于常見的串聯機器人，并聯機器人具有負載大、精度高、動態(tài)特性好、可重構能力強等優(yōu)點，是航空航天、醫(yī)療健康等領域的核心裝備。
但“好機構難綜合、優(yōu)性能難設計、高精度難調控”等科學難題提高了并聯機器人設計與應用門檻，阻礙其發(fā)展。天津大學機械學院教授孫濤團隊提出并聯機器人創(chuàng)新設計與調控新理論，改變傳統(tǒng)方法利用工程經驗反復試錯、迭代設計的流程，從發(fā)現數學新定律、揭示力學新機理、提出機構學新方法三個層面入手，提出高性能并聯機器人發(fā)明、設計和調控的方法。“并聯機器人創(chuàng)新設計與調控理論”項目日前榮獲2023年度天津市自然科學獎特等獎。
實現并聯機構拓撲簡潔描述
機構是機器人的“基因”，直接確定了其功能，并且從本質上決定了機器人的性能。從機器人機構學角度分類，現有機器人主要分為串聯和并聯。
“串聯機器人就像一個手臂，由各個關節(jié)串聯在一起；并聯機器人是把幾個串聯結構形成閉環(huán)結構，就像兩只手或者多只手握在一起，由多條手臂共同完成一件事。”孫濤介紹，顯然，一條手臂負載能力有限，但通過多條手臂的配合，機器人則可以負載更多重量，從而實現更優(yōu)性能的作業(yè)。
由于需要各個支鏈之間的配合，并聯機器人的機構具有多閉環(huán)結構、多傳遞回路、多運動構態(tài)等特點，其機構綜合一直是機構學和數學交叉領域的研究熱點與難點問題。
“現有方法難以實現復雜多樣并聯機構拓撲的簡潔描述和精準計算。這導致在綜合過程中嚴重依賴設計人員的靈感和經驗，制約了并聯機器人的機構設計。”孫濤認為，這是一個不斷試錯的過程，有時候由于認知的局限性，很難設計出正確的機構。
孫濤帶領團隊從數學角度入手，耗費數年時間，深入研究機器人機構與數學表征、運算之間的關聯，最終發(fā)現了表征連續(xù)運動的最簡數學格式有限旋量及其四類運算定律，提出了并聯機器人機構綜合的有限旋量新理論，為機構拓撲的代數計算和連續(xù)運動的精準設計提供了數學工具。
“我們還提出了面向應用場景的機構綜合理論。當靈感和經驗可以用數學公式來表達時，一切就變得簡單清晰了。”團隊成員連賓賓舉例說，比如需要綜合一個加工機器人，應用機器人機構創(chuàng)新理論，提煉加工場景對機器人的運動需求，把運動參數代入公式中計算，就可以得到適合的機構拓撲，相當于并聯機器人有了雛形。
提升性能設計和精度調控水平
性能直接決定了機器人在服役環(huán)境中的作業(yè)能力。其優(yōu)劣不但依賴機構拓撲，而且與機器人尺度參數密切相關。
“就像人一樣，先天體質和高矮胖瘦等多重因素都會影響到人力氣的大小。所以，我們設計并聯機器人，既要考慮代表‘基因’的拓撲結構參數，也要考慮代表‘高矮胖瘦’的尺度參數。”孫濤介紹，由于并聯機器人的拓撲類型多樣、涉及到的參數數目龐大、目標性能耦合關系復雜，同步設計機器人的拓撲和尺度參數難度非常高。
“如何面向多維性能的需求提出拓撲和尺度參數的優(yōu)選準則，是并聯機器人設計的關鍵。”團隊成員霍欣明說。
團隊通過研究，利用所提出的數學工具建立并聯機器人“拓撲—尺度—性能”的映射模型，根據不同場景對機器人性能的需求，提出多性能匹配的合作均衡方法，實現并聯機器人拓撲和尺度的優(yōu)選與設計。
并聯機器人從設計到應用的首要問題是機器人的作業(yè)精度，其主要受零部件加工和裝配偏差等幾何誤差、彈性變形等非幾何誤差影響。
“誤差的辨識和補償是調控機器人精度最直接最有效的手段。我們通過建立誤差傳遞模型，揭示誤差作用機理，建立誤差補償的等效運動控制模型，提出了并聯機器人精度調控的在線補償新機制，解決了并聯機器人任意位姿下多源誤差實時補償的難題。”孫濤介紹。
研制大模型降低使用難度
目前，并聯機器人創(chuàng)新設計與調控理論，已經指導了加工、焊接、裝配、手術康復等多種高性能并聯機器人的創(chuàng)新設計與調控，推動了并聯機器人在航空航天、汽車船舶、醫(yī)療健康等領域的應用。
孫濤舉例：“比如我們創(chuàng)新設計的高剛度并聯磨切一體加工機器人，已經在中國一汽、濰柴動力等30余家頭部企業(yè)應用300臺套，解決了多類型、多材質、多尺度鑄造件高效加工的難題。”
“我們創(chuàng)新設計的高負重比并聯對接裝配機器人，應用于航天五院某低軌衛(wèi)星艙板、某型飛機艙內單體的柔性裝配，解決了中大型部組件裝配難題。”團隊成員宋軼民介紹說。
醫(yī)療健康領域也受益于這項創(chuàng)新理論。目前，國際首臺可穿戴并聯骨折手術與康復一體化機器人，已經在中國人民解放軍總醫(yī)院、天津醫(yī)院等開展模型或動物實驗100例、臨床試驗85例，解決了骨折手術與康復脫節(jié)的臨床難題。
“接下來，我們將進一步降低并聯機器人的設計以及應用門檻。”孫濤介紹，“對于工程設計人員，目前這套理論的數學門檻還是比較高。為了向更多人推廣這套理論，我們正在建立并聯機構大模型。”
“未來，訓練成熟的機構大模型可以根據用戶的需求設計并聯機器人，實現機構創(chuàng)新，優(yōu)化并聯機器人的性能。”孫濤說。
如今，工業(yè)機器人已成為制造業(yè)的重要“勞動力”。相比于常見的串聯機器人，并聯機器人具有負載大、精度高、動態(tài)特性好、可重構能力強等優(yōu)點，是航空航天、醫(yī)療健康等領域的核心裝備。
但“好機構難綜合、優(yōu)性能難設計、高精度難調控”等科學難題提高了并聯機器人設計與應用門檻，阻礙其發(fā)展。天津大學機械學院教授孫濤團隊提出并聯機器人創(chuàng)新設計與調控新理論，改變傳統(tǒng)方法利用工程經驗反復試錯、迭代設計的流程，從發(fā)現數學新定律、揭示力學新機理、提出機構學新方法三個層面入手，提出高性能并聯機器人發(fā)明、設計和調控的方法。“并聯機器人創(chuàng)新設計與調控理論”項目日前榮獲2023年度天津市自然科學獎特等獎。
實現并聯機構拓撲簡潔描述
機構是機器人的“基因”，直接確定了其功能，并且從本質上決定了機器人的性能。從機器人機構學角度分類，現有機器人主要分為串聯和并聯。
“串聯機器人就像一個手臂，由各個關節(jié)串聯在一起；并聯機器人是把幾個串聯結構形成閉環(huán)結構，就像兩只手或者多只手握在一起，由多條手臂共同完成一件事。”孫濤介紹，顯然，一條手臂負載能力有限，但通過多條手臂的配合，機器人則可以負載更多重量，從而實現更優(yōu)性能的作業(yè)。
由于需要各個支鏈之間的配合，并聯機器人的機構具有多閉環(huán)結構、多傳遞回路、多運動構態(tài)等特點，其機構綜合一直是機構學和數學交叉領域的研究熱點與難點問題。
“現有方法難以實現復雜多樣并聯機構拓撲的簡潔描述和精準計算。這導致在綜合過程中嚴重依賴設計人員的靈感和經驗，制約了并聯機器人的機構設計。”孫濤認為，這是一個不斷試錯的過程，有時候由于認知的局限性，很難設計出正確的機構。
孫濤帶領團隊從數學角度入手，耗費數年時間，深入研究機器人機構與數學表征、運算之間的關聯，最終發(fā)現了表征連續(xù)運動的最簡數學格式有限旋量及其四類運算定律，提出了并聯機器人機構綜合的有限旋量新理論，為機構拓撲的代數計算和連續(xù)運動的精準設計提供了數學工具。
“我們還提出了面向應用場景的機構綜合理論。當靈感和經驗可以用數學公式來表達時，一切就變得簡單清晰了。”團隊成員連賓賓舉例說，比如需要綜合一個加工機器人，應用機器人機構創(chuàng)新理論，提煉加工場景對機器人的運動需求，把運動參數代入公式中計算，就可以得到適合的機構拓撲，相當于并聯機器人有了雛形。
提升性能設計和精度調控水平
性能直接決定了機器人在服役環(huán)境中的作業(yè)能力。其優(yōu)劣不但依賴機構拓撲，而且與機器人尺度參數密切相關。
“就像人一樣，先天體質和高矮胖瘦等多重因素都會影響到人力氣的大小。所以，我們設計并聯機器人，既要考慮代表‘基因’的拓撲結構參數，也要考慮代表‘高矮胖瘦’的尺度參數。”孫濤介紹，由于并聯機器人的拓撲類型多樣、涉及到的參數數目龐大、目標性能耦合關系復雜，同步設計機器人的拓撲和尺度參數難度非常高。
“如何面向多維性能的需求提出拓撲和尺度參數的優(yōu)選準則，是并聯機器人設計的關鍵。”團隊成員霍欣明說。
團隊通過研究，利用所提出的數學工具建立并聯機器人“拓撲—尺度—性能”的映射模型，根據不同場景對機器人性能的需求，提出多性能匹配的合作均衡方法，實現并聯機器人拓撲和尺度的優(yōu)選與設計。
并聯機器人從設計到應用的首要問題是機器人的作業(yè)精度，其主要受零部件加工和裝配偏差等幾何誤差、彈性變形等非幾何誤差影響。
“誤差的辨識和補償是調控機器人精度最直接最有效的手段。我們通過建立誤差傳遞模型，揭示誤差作用機理，建立誤差補償的等效運動控制模型，提出了并聯機器人精度調控的在線補償新機制，解決了并聯機器人任意位姿下多源誤差實時補償的難題。”孫濤介紹。
研制大模型降低使用難度
目前，并聯機器人創(chuàng)新設計與調控理論，已經指導了加工、焊接、裝配、手術康復等多種高性能并聯機器人的創(chuàng)新設計與調控，推動了并聯機器人在航空航天、汽車船舶、醫(yī)療健康等領域的應用。
孫濤舉例：“比如我們創(chuàng)新設計的高剛度并聯磨切一體加工機器人，已經在中國一汽、濰柴動力等30余家頭部企業(yè)應用300臺套，解決了多類型、多材質、多尺度鑄造件高效加工的難題。”
“我們創(chuàng)新設計的高負重比并聯對接裝配機器人，應用于航天五院某低軌衛(wèi)星艙板、某型飛機艙內單體的柔性裝配，解決了中大型部組件裝配難題。”團隊成員宋軼民介紹說。
醫(yī)療健康領域也受益于這項創(chuàng)新理論。目前，國際首臺可穿戴并聯骨折手術與康復一體化機器人，已經在中國人民解放軍總醫(yī)院、天津醫(yī)院等開展模型或動物實驗100例、臨床試驗85例，解決了骨折手術與康復脫節(jié)的臨床難題。
“接下來，我們將進一步降低并聯機器人的設計以及應用門檻。”孫濤介紹，“對于工程設計人員，目前這套理論的數學門檻還是比較高。為了向更多人推廣這套理論，我們正在建立并聯機構大模型。”
“未來，訓練成熟的機構大模型可以根據用戶的需求設計并聯機器人，實現機構創(chuàng)新，優(yōu)化并聯機器人的性能。”孫濤說。
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