如今，工業機器人已成為制造業的重要“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、動態特性好、可重構能力強等優點，是航空航天、醫療健康等領域的核心裝備。

但“好機構難綜合、優性能難設計、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，阻礙其發展。天津大學機械學院教授孫濤團隊提出并聯機器人創新設計與調控新理論，改變傳統方法利用工程經驗反復試錯、迭代設計的流程，從發現數學新定律、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明、設計和調控的方法。“并聯機器人創新設計與調控理論”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，由各個關節串聯在一起；并聯機器人是把幾個串聯結構形成閉環結構，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，從而實現更優性能的作業。

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結構、多傳遞回路、多運動構態等特點，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，最終發現了表征連續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境中的作業能力。其優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新設計與調控，推動了并聯機器人在航空航天、汽車船舶、醫療健康等領域的應用。

孫濤舉例：“比如我們創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。

醫療健康領域也受益于這項創新理論。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院、天津醫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，實現機構創新，優化并聯機器人的性能。”孫濤說。

文/陳曦

編輯/倪家寧