1、自然科学奖自然科学奖项目1项目名称：含约束力的限自由度并联机构与串并联联机构理论与实验研究推荐单位：河北省教育厅主要完成单位：燕山大学全部完成人及排序：路懿，胡波，路扬，石岩，许佳音申报奖种：自然科学奖项目简介：对各种新型限自由度并联机构和串并联机构（简称这类机构）的研究是近年来国内外高端装备制造及机器人领域十分重要的研究方向和前沿技术。在国家自然科学基金和教育部博士点基金项目支持下，开展了基于约束力旋量的这类机构的理论研究，在这类机构型综合、运动学、静力与动力学、工作空间、奇异分析等方面均有突破和创新，形成这类机构的创新理论体系。本项目获成果：1. 发表SCI收录论文51篇，EI收录论文54
2、篇，他引SCI论文82次，他引EI论文94篇，其中主要8篇SCI收录论文SCI他引46次；2. 完成国家自然科学基金项目获评优秀结题项目；3. 培养博士生论文获首届上银优秀机械博士论文奖和河北省优秀论文；4. 获国家授权发明专利9项；5. 完成教育部博士点基金项目；6.获教育部成果证书；7. 培养获博士学位5人，获硕士学位28人。上述成果得到国内外同行专家的高度评价和广泛认可。主要创新点和科学价值如下：1开展了这类机构性质研究，利用约束支链有效消除和抑制机构自微运动，建立相应的运动和动力学模型，揭示了消除自微动的机理，为这类并联机器人及高端装备制造装备的研制与应用提供理论支撑。2. 提出和创建
3、了这类机构统一运动学理论体系。推导出含束力旋量信息统一66 Jacobian (J) 矩阵和666 Hessian (H)矩阵，由此创建了这类机构位姿、速度/加速度统一模型。揭示这类高度耦合机构运动特点与导致奇异位姿的机理，阐明了驱动和约束力旋量与耦合运动的映射关系，为其静/动力学统一模型、刚度模型、工作空间和奇异位姿的建立奠定理论基础。3提出和创建基于约束力旋量各种这类机构的统一静/动力学和刚度理论体系。提出了确定各种约束力旋量的准则与方法，基于上述J阵建立了统一静力学模型，导出多种结构分支运动学模型和速度映射矩阵。考虑惯性和阻尼，建立了这类机构通用的动力学模型和求解动态驱动/约束力旋量模型
4、。基于约束力旋量，导出多种结构支链的弹性变形方程，建立这类机构含约束力旋量的刚度矩阵和弹性变形矩阵方程。为其结构优化、运动和动力控制提供理论支撑。4. 提出和创建这类机构的（n6）nn型J方阵和分解的移动J阵和转动J阵，导出相应的移动和转动H矩阵，由此建立这类机构的统一速度/加速度模型，揭示其n维输入与n维独立输出对应关系。创建了用移/转动J矩阵和nn 型J方阵分析这类机构奇异位形的理论体系，简化了奇异位形分析。5提出和创建用机构简单拓扑图推导复杂这类机构拓扑图的理论。先由关联杆组构造了不同拓扑胚图，并针对相同关联杆组将拓扑胚图分组，再用加边法由简单拓扑胚图和虚拓扑胚图推导有效拓扑胚图。提出并
5、识别拓扑胚图同构新概念，用不同边数，有效识别同构拓扑胚图和无效拓扑胚图。为这类新型机构型综合提供理论支撑。6综合出一系列这类新型机构。研制出一些新型并联机器人实验样机。分析各机构运动特性，建立了各机构的运动学、静力学、动力学和刚度模型。为基于各机构构建的机器人、机床及传感器的研制、控制和应用提供理论与技术支撑。主要完成人情况： 1.路懿，第一完成人，教授，燕山大学，本项目负责人，提出基于约束力和力矩的限自由度并联机构型综合、运动学、力学、刚度、奇异等系列理论的主要思想；创建了基于约束力和力矩的限自由度并联机构理论体系；指导了基于约束力和力矩建立限自由度并联机构运动学、力学、奇异模型。创建用CA
6、D变量几何法解决限自由度并联机构的相关理论。设计了各种样机。开展各种样机实验调试、分析与研究。是论文1-19的通讯作者；是论文1-5，7-14，16-19的第一作者；论文6，15的第二作者；论文20的第三作者。该项目的工作量占本人工作量的80%。对本项目所有科学发现点都作出了主要贡献（对应附件1.1.1到1.1.8）。平面与空间机构统一综合理论与计算机模拟，河北省自然科学奖，二等，2009，排名第一。 2.胡波，第二完成人，副教授，燕山大学，建立了基于约束力旋量限自由度并联机构统一的66 Jacobian矩阵和666 Hessian矩阵，构建了这类机构的统一运动学模型。建立了限自由度并联机构含
7、约束力旋量的静力学、动力学和刚度模型，推导出多种结构分支的运动学模型和速度映射矩阵。协助作了一些样机调试实验研究，验证了一些理论结果。是论文20的通讯作者;是论文6, 15，20的第1作者; 论文1, 2, 5, 8-12, 16，17的第2作者；论文3, 18的第3作者。该项目的工作量占本人工作量的75%。对本项目科学发现点1, 2，5做出了重要贡献（对应附件1.1.1，1.1.2, 1.1.5, 1.1.6, 1.1.8）。平面与空间机构统一综合理论与计算机模拟，河北省自然科学奖，二等，2009，排名第二。3.路扬，第三完成人，助理工程师，燕山大学，在各种样机设计与研制与实验方面提出一些重
8、要改进建议。在样机加工和实验方面做出主要贡献。提出用机构简单拓扑图推导杂限自由度并联机构和串并联机构拓扑图的一些创新方案和思路，用加边法由简单拓扑胚图和虚拓扑胚图推导有效拓扑胚图。有效解决复杂限自由度并联机构和串并联机构型综合的难题和复杂拓扑胚图同构识别的难题。是论文7的第2作者；该项目的工作量占本人工作量的65%。对本项目科学发现点4, 5做出了重要贡献（对应附件1.1.7， 1.1.8）。4.石岩，第四完成人，副教授，燕山大学，建立了n6自由度并联机构nn型J方阵和分解的移动J阵和转动J阵，导出相应的移动和转动H矩阵，建立了一般限自由度并联机构的统一速度/加速度解析模型。建立了用移/转动J
9、矩阵和nn J方阵分析这类机构的奇异位形理论模型，简化了奇异位形分析。是论文3, 4, 11, 18的第2作者。该项目的工作量占本人工作量的60%。对本项目科学发现点3作出了重要贡献（对应附件1.1.3，1.1.4）。具有被动分支自由度为3和4并联机器人机构综合与性质研究，国家自然科学基金优秀结题项目，优秀，2008，排名第四。5.许佳音，第五完成人，高级工程师，燕山大学，建立了用CAD变量几何法求解并联机床法向加工自由曲面的输入与输出位移、速度、加速度和动力学的理论模型。揭示了机构输入与输出运动对机构奇异位姿、加工自由曲面载荷的影响机理及与工作空间的关系。作了2SPS+UPU+UP型样机实验
10、研究，验证了该样机理论结果。是论文8的第3作者，是论文14,19的第2作者。该项目的工作量占本人工作量的60%。对本项目科学发现点5作出一定贡献（对应附件1.1.8）。具有被动分支自由度为3和4并联机器人机构综合与性质研究，国家自然科学基金优秀结题项目，优秀，2008，排名第五。代表性论文及专著：1 Lu Yi, Hu Bo. Unification and simplification of velocity/acceleration of limited-dof parallel manipulators with linear active legs. Mechanism and Mac
11、hine Theory, 2008,43(9), 1112-1128. (SCI) 2 Lu Yi, Hu Bo. Analyzing kinematics and solving active/constrained forces of a 3SPU+UPR parallel manipulator. Machine and Mechanism Theory, 2007,42(10),1298-1313. (SCI)3 Lu, Yi, Shi, Yan, Hu, Bo. Kinematics analysis of two novel 3UPU I and 3UPU II PKMs. Rob
12、otics and Autonomous Systems, 2008, 56(4): 296-305. (SCI)4 Lu Y, Shi Y, Huang Zhen, Yu jianping and etal. Kinematics/statics of a 4-DOF over-constrained parallel manipulator with 3 legs. Mechanism and Machine Theory, 2009, 44(6): 1497-1506. (SCI)5 Lu Yi, Hu Bo and et al. Analysis of kinematics and s
13、tatics of a2SPS+PRRPR parallel manipulator. Machine and Mechanism Theory, 2008,43(9), 1099-1111. (SCI)6 Hu Bo, Lu Yi, Tan Qing, Yu Jianping, Han Jianda. Analysis of stiffness and elastic deformation of a 2(SP+SPR+SPU) serial-parallel manipulator. Robotics and Computer Integrated Manufacturing,2011,2
14、7(2),418-425. (SCI)7 Lu Yi, Lu Yang,etal. Derivation of valid contracted graphs from simpler contracted graphs for type synthesis of closed mechanisms. Mechanism and Machine Theory. 2012,52(9),206-218. (SCI)8 Lu Yi, Hu Bo, Xu Jiayin. Kinematics analysis and solution of active/passive forces of a 4SP
15、S+SPR parallel machine tool.International Journal of Advanced Manufacture Technology, 2008,36 (1-2): 178-187. (SCI)9 Lu Yi，Hu Bo. Unified solving Jacobian/Hessian matrices of some parallel manipulators with n SPS active legs and a constrained leg. Transaction ASME Journal of Mechanical Design, 2007,
16、129(11),61-1169. (SCI)10 Lu Yi, Hu Bo, Yu jianping. Unification and simplification of dynamics of limited-dof parallel manipulators with linear active legs. Int J of Rob Auto,2010,25(2),45-53. (SCI)11 Lu Y, Shi Y, Yu Jianping. Kinematic analysis of limited-dof parallel manipulators based on translational/rotational Jacobian and Hessian matrices. Robotica, 2009, 27(7): 971-980. (SCI)12
