索驱高速机器人
课题来源：
1. 国家自然科学基金项目：柔性支撑并联机构振动特性及抑振控制研究 (No. 51205224)
2. 自然科学基金：大型船舶舷侧涂装索并联机器人动态工作空间与稳定控制研究（No. 51575292）
在食品、医药、新能源、物流及3C电子等诸多行业，需要大量对产品进行高速拣选、理料和包装的高速分拣机器人。高速分拣机器人是工业机器人的重要组成部分，已成为分拣和包装领域中提高效率、降低成本和提升质量的核心装备，需求量大面广。
传统串联式SCARA机器人和以Delta为代表的并联机器人均为刚性连杆结构，在性能方面仍存在亟待突破的瓶颈，具体如下：1）刚性杆件惯量大，限制了运动部件质量的进一步降低和效率的提升；2）运动链中大量使用转动副、万向节和球铰等铰链，限制了工作空间，并使得位置精度保证困难；3）主动摆杆结构需要配合大速比精密减速器和精密球铰等传动部件，导致成本较高；4）负载适应性差，难以实现功能拓展和柔性化提升。针对上述问题，本实验室提出了基于索驱动并联机构的高速分拣机器人解决方案。利用索驱动低惯量、高负载和大工作空间等优点，自主开发了具有高效率、低成本、低功耗和高精度特性的新型索驱动高速并联机器人，推动我国机器人技术的自主创新和产业的发展，实现我国机器人性能和水平的突破。
（1）索驱动高速并联机器人机构创新
并联机器人多采用主动摆杆和被动平行四边形结构组成的刚性运动支链，存在结构复杂、轻量化困难、关节铰链繁多和精度保证成本高等问题。针对这一问题，从终端约束理论出发，提出了驱动同步收放的平行索驱动结构，实现了高效驱动与有效约束的结合，约束了动平台不必要的转动自由度，与刚性支链相比，简化了支链机构，实现了轻量化设计。针对绳索张紧问题，摒弃了对拉索结构，采用被动力方法，获得了平行索驱动和被动张紧技术相结合的刚柔融合索驱动并联机器人构型，设计了刚柔融合索并联机器人TBot。TBot机器人采用三组平行索驱动，采用被动弹簧和伸缩摆动机构组成刚性被动张紧支链，对动平台施加向下的压力，实现张拉整体结构，避免了冗余驱动，使得控制难度降低，大幅提升机构的工程应用价值。通过对TBot机器人运动学和动力学建模分析，该机器人相较于Delta型并联机器人，运动惯量降低80%，成本降低50%。
TBot三自由度索驱动高速并联机器人构型设计
（2）一体化综合优化设计理论和方法
尺度设计与构型设计构成机器人设计的两大方面。性能指标是机构优化设计的准则，如何揭示高速机器人运动学和动力学本质特性，建立运动学和动力学性能指标体系和一体化优化设计方法，保证机构优异的综合性能，是一个关键难题。机构本质是将力从驱动端传递到终端，因此力传递是性能的核心。针对索并联机器人的力传递性能评价问题，建立了表征索并联机器人驱动能力的力平行六面体和表征其约束能力的力矩平行六面体，利用驱动力空间和约束力空间特征边的力矢量之间的正交度定义了驱动力传递性能指标OLAI和约束力传递性能指标OLCI。针对动力学性能评价问题，通过动力学建模，获得机器人整体惯量矩阵，建立了基于动力学惯量指标的动力学性能评价方法，在此基础上建立了机器人动力学优化与惯量匹配准则。基于运动学和动力学评价指标，建立了一体化并联机器人综合优化方法，指导机器人参数设计和驱动与传动系统选型，实现了运动学和动力学的综合性能优化与驱动匹配，使得机器人潜能得以充分发挥和释放。根据相应方法完成了TBot索并联机器人的优化设计，使得其节拍、负载和重复定位精度全面提升，同时功耗下降25%。
索并联机器人综合优化设计
（3）索驱动高速并联机器人及成套装备
完成了面向工程应用的索并联机器人性能保证技术研究，包括精度保证技术、轨迹规划技术、运动控制技术和集成技术等。
建立了考虑滑轮条件下的索并联机器人完整运动学模型。在考虑滑轮运动学条件下对TBot误差模型进行了建模，并建立了误差辨识模型，推导获得考虑滑轮运动学条件下辨识矩阵表达式。最终建立了索并联机器人运动学标定方法和操作指导流程，以及建立了约束动平台自由度的绳索长度快速自标定方法。
针对面向实际应用的点到点抓取轨迹规划问题，建立了基于非均匀k次有理B样条的索并联机器人关节空间轨迹规划方法。针对不同轨迹规划目标，建立了优化数学模型。针对平面五点约束轨迹对索并联机器人存在过约束问题，开展了点到点抓取轨迹约束重建和重建约束点后的轨迹规划研究工作。建立了采用空间约束的轨迹规划方法，有效提高了机器人抓取运动效率，使其执行标准Adept抓取路径节拍数达到220次/分钟以上。
针对索并联机器人的运动控制问题，开发了自主可控的控制软硬件平台，开发了多套配套功能软件，实现了机器人轨迹规划、运动控制以及与视觉系统和传送带系统的集成。
TBot机器人性能保证与工程应用关键技术
最终研发了系列化索驱动高速并联机器人装备，所研发的机器人在不同种类物体的抓取分拣和各类产品生产线中得到了成功的应用。
