然而，“良好机构合成难、性能设计难、高精度控制难”等科学难题抬高了并联机器人设计应用门槛，阻碍了并联机器人的发展。天津大学机电学院孙涛教授团队提出并联机器人创新设计与控制新理论，改变了传统依靠工程经验反复试错、迭代设计的过程，从发现新的数学规律、揭示新的机械机构、提出新的机构学习方法三个层面出发，提出了高性能并联机器人发明、设计和控制的方法。“并联机器人创新设计与控制理论”项目近日荣获2023年度天津市自然科学奖特等奖。
实现并联机构拓扑结构的简洁描述
机构是机器人的“基因”，直接决定了机器人的功能，从本质上决定了机器人的性能。从机器人机构来看，现有的机器人主要分为串联型和并联型。
“串联机器人就像一条手臂，各个关节串联起来；并联机器人则由几个串联结构组成一个闭环结构，就像两只或多只手握在一起，多个手臂分工协作完成一项任务。”孙涛介绍，显然一条手臂的负载能力是有限的，但通过多个手臂的协调配合，机器人可以承载更大的重量，从而实现更优异的作业性能。
由于需要各分支之间的协调配合，并联机器人具有多闭环结构、多传动回路、多运动构型的特点，其机构集成一直是机构学与数学交叉领域的研究热点和难题。
“现有的方法难以对复杂多样的并联机构拓扑结构实现简洁的描述和精确的计算，导致综合过程中严重依赖设计者的灵感和经验，制约了并联机器人的机构设计。”孙涛认为，这是一个不断试错的过程，有时由于认知的限制，很难设计出正确的机构。
孙涛带领团队从数学角度出发，花了数年时间对机器人机构与数学表示及运算的关系进行了深入研究，最终发现了有限旋量及其四类运算规律，这是表示连续运动最简单的数学形式，并提出了一种用于并联机器人机构综合的新型有限旋量理论，为机构拓扑的代数计算和连续运动的精确设计提供了数学工具。
“我们还针对应用场景提出了机构综合理论。当灵感、经验可以用数学公式表达出来时，一切都变得简单明了。”团队成员练彬彬举例说。比如需要集成一个加工机器人，可以应用机器人机构创新理论，细化加工场景对机器人运动的要求，将运动参数代入公式计算，就能得到合适的机构拓扑结构，相当于并联机器人的雏形。
提高性能设计和精度控制
性能直接决定了机器人在服务环境中作业的能力，其好坏不仅取决于机构拓扑结构，还与机器人的尺度参数密切相关。
“就像人一样，先天体质以及身高体重体型等多重因素都会影响一个人的力量。因此，我们在设计并联机器人时，既要考虑代表‘基因’的拓扑结构参数，又要考虑代表‘身高体重体型’的尺度参数。”孙涛介绍，由于并联机器人拓扑类型多样，涉及的参数数量众多，目标性能之间的耦合关系复杂，因此同时设计机器人的拓扑和尺度参数难度很大。
“如何提出拓扑和尺度参数的优化准则以响应多维性能需求是并联机器人设计的关键。”团队成员霍新明说。
该团队通过研究，利用提出的数学工具建立了并联机器人“拓扑-规模-性能”映射模型，并根据不同场景对机器人的性能需求，提出了多性能匹配的协同均衡方法，实现了并联机器人拓扑结构与规模的优化设计。
并联机器人从设计到应用的首要问题是机器人的运行精度，而机器人的运行精度主要受到零部件加工、装配偏差等几何误差以及弹性变形等非几何误差的影响。
“误差辨识与补偿是控制机器人精度最直接、最有效的手段。我们建立了误差传递模型，揭示了误差作用机理，建立了误差补偿的等效运动控制模型，提出了一种新的并联机器人精度控制在线补偿机制，解决了并联机器人任意位置多源误差的实时补偿问题。”孙涛介绍。
开发大型模型以降低使用难度
目前，并联机器人创新设计与控制理论已指导了加工、焊接、装配、外科康复等各类高性能并联机器人的创新设计与控制，推动了并联机器人在航空航天、汽车船舶、医疗保健等领域的应用。
孙涛举例说：“比如我们创新设计的高刚度并联磨削切削加工机器人，目前已在中国一汽、潍柴动力等30多家龙头企业应用300台，解决了多类型、多材质、多尺度铸件的高效加工难题。”
“我们创新设计的高载重比并联对接装配机器人，应用于航天五院低轨卫星舱段面板及某型飞机舱段单件柔性装配，解决了中大型部件的装配难题。”团队成员宋益民说。
医疗卫生领域也受益于这一创新理论，目前，全球首台可穿戴平行骨折手术康复一体化机器人已在中国人民解放军总医院、天津医院进行了100个模型或动物实验、85个临床试验，解决了骨折手术与康复脱节的临床难题。
“下一步，我们会进一步降低并联机器人的设计和应用门槛。”孙涛介绍，“对于工程设计人员来说，这个理论的数学门槛还是比较高的。为了把这个理论推广给更多的人，我们正在搭建并联机构的大模型。”
“未来可以通过训练成熟机构的大模型，按照用户需求设计并联机器人，实现机构创新，优化并联机器人的性能。”孙涛说。
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