第1章 绪论
1.1 研究背景及意义
变胞机构由戴建生院士于1998年第25届美国机械工程师学会(The American Society of Mechanical Engineers，ASME)机构学与机器人学双年会上提出[1，2]，之后受到了国内外学者的广泛关注与研究。将变胞机构和可控机构结合应用于工程中，生成面向任务的可控变胞机构，可使其既具有可控机构可控可调、输出柔性、机电融合的优良性能，又具有变胞机构多功能阶段变化、多拓扑结构变化、多自由度变化等特征[3-7]。此类机构不仅能够灵活适应产品多样性的变化，还能够满足高产、高效的要求。经过二十多年的发展，可控变胞机构的相关理论日渐成熟，已实现创新性应用[8-11]。
随着机械自动化水平的提高，码垛机器人以其在机械结构、适用范围、灵活性、智能高效等方面的优势得到广泛应用，主要用于食品、电子、机械、医药等领域的自动化生产企业。将具有变胞功能的机构应用于码垛机器人，可产生一类新型的可控变胞机构式码垛机器人。相比构态单一的传统机构，此类码垛机器人机构可以改变自身拓扑结构，实现机构自由度的变化，适应不同任务，灵活应用于不同场合和不同工作对象，并能充分利用工作空间。然而，针对该类机器人的研究尚处于起步阶段，许多关键问题亟待解决，尤其在尺度优化、轨迹规划、动态性能和可靠性等方面。
1.2 变胞机构设计与尺度优化研究概况
变胞机构的结构设计是保证该机构满足工程应用的*基本前提。近年来，国内外学者结合各种应用场景设计了多种变胞机构，通过试验验证了机构设计的可行性和有效性。戴建生院士的研究团队设计了多种变胞机械手[12-14]，这些机械手具有可重构功能且可在工作空间内灵活运动；同时提出对这些机械手进行构型分析和工作空间分析的方法；在此基础上，结合爬行动物的活动行为研制了变胞仿生四足机器人[15-19]，不同的构态对应不同的爬行状态，进一步进行运动稳定性分析和步态规划研究，使其适用于多种工作环境；*后通过试验验证机器人设计的可行性。Chen等[20]设计了一种变胞水下机器人，基于水下活动情况进行运动学和动力学分析，讨论该机器人在水下应用的合理性和有效性。Xu等[21]设计了一种具有多个步态的变胞六足机器人，基于变胞原理对其进行运动学分析、稳定性分析和步态规划研究。胡胜海等[22，23]设计了变胞切割机构，并对其进行运动性能研究，验证其应用在切割加工领域的有效性。牛建业等[24]设计了一种变自由度轮足复合机器人，进行运动性能以及尺度综合分析，通过试验验证其在农业领域应用的可行性。荣誉等[25]基于构型分析方法设计了一种超冗余变胞机械臂，经过运动学分析验证其变胞实现的可行性。刘超等[26]设计了一种新型可变形轮腿式机器人，该机器人具有多种运动方式，经过运动分析验证各种运动方式的可行性。
综上所述，目前主要通过对变胞机构进行运动分析验证其构态变换的合理性和可行性。在与具体的工业生产领域相结合的变胞机构应用方面，为了得到可用于实际工业的变胞机构产品设计，确保该设计能满足实际应用中工作性能以及安全的要求，需要根据机构系统的工况条件对其进行相关的理论研究，尤其是尺度优化的理论研究。
尺度优化是保证机构满足具体实际工程要求的有效途径，可保证机构设计的合理性和实用性。虽然国内外学者对多自由度机构[27-30]、机器人机构[31-34]等传统机构的优化研究取得了较多成果，但变胞机构不同于传统的机构，它是多种构态的结合，其尺度优化模型也不同于传统机构的优化模型，各构态优化模型之间既有联系又有区别。针对面向工程任务的变胞机构的优化问题，Zhang等[35，36]对变胞机构的尺度优化进行研究，提出一种变胞机构尺度优化方法，通过构造一个综合考虑全局和局部的优化分层方案进行优化计算。*梦可等[37]对所设计的变胞变尺度轮腿混合四足机器人进行尺度综合优化分析，得到与运动性能相关的多种尺度参数。孙伟[38]采用教与学的优化算法对变胞机构进行尺度优化分析。Chen等[39]提出空间离散化的变胞机构尺度优化方法，得出机构的*优尺度参数，基于此完成了实物样机的设计与制作。
1.3 变胞机构轨迹规划研究概况
机械自动化水平的逐步提高使对工业机器人的功能需求也随之增加，因此变胞式工业机器人的优势逐渐体现。变胞式机器人主要包括变胞式工业机器人和变胞式移动机器人等[40]。其中，变胞式工业机器人主要利用变胞机构构态变换的特点实现工业机器人工作效率的提升及工作质量的提高等，而变胞式移动机器人主要使移动机器人具有多种运动步态或避障等功能。
目前，关于变胞式机器人的理论研究主要集中在机构学方面。田娜等[41]提出一种新型的变结构轮/腿式探测机器人，该机器人具有可变宽窄的车身结构，从而能够更好地适应复杂的探测环境。张克涛等[42]基于六杆球面变胞机构设计了一种新型变结构腿轮式探测车，并给出该机器人的典型变形构态。Dai等[43]应用不连续变胞机构设计了一款仿壁虎机器人。Bruzzone等[44]研制了一种采用变胞夹具的具有柔性关节的微装配机器人。Gao等[45]设计了一种可展开变胞式机械手，可用于未知形状物体的抓取。
轨迹规划是保证机构系统的运动轨迹满足工作任务要求的关键， 是工业机器人运动控制的基础。为了保证变胞式机器人平稳高效地运行，需要对机器人运动规划进行重点研究。机器人运动规划包括路径规划、轨迹规划及步态规划等。目前，变胞式机器人的运动规划方法研究已经取得了一些成果。丁希仑等[46]基于十字交叉连杆机构设计了一种变结构机器人，并对该机器人的典型步态(储存、运输以及步行步态)进行规划。甄伟鲲等[47]基于四足变胞爬行机器人设计了两种新的步态，即扭腰直行步态和原地旋转步态，使机器人具有较强的极端环境适应能力。牛建业等[24]提出一种可变自由度的轮足复合式机构作为四足机器人的腿部机构，并根据不同地形，规划机器人足端的普通运动轨迹及越障运动轨迹。王圣捷等[19]基于变胞四足机器人的可动躯干，提出一种利用躯干运动的四足机器人自我恢复策略，该策略利用仿生学规划实现自我恢复动作。金子涵等[48]基于仿生学原理和变胞理论设计了一种模仿灵长类动物攀爬方式的新型爬管机器人，并设计了该机器人的竖直攀爬步态和翻转运动步态。
以上研究为变胞式机器人的运动规划提供了理论参考。但就研究现状来看，变胞式机器人的运动规划多为变胞式移动机器人的步态规划研究，缺乏对变胞式工业机器人的轨迹规划研究，而轨迹规划对于提高工业机器人的工作效率至关重要。因此，研究变胞式工业机器人的轨迹规划对其在机械制造、工程机械等领域的应用有重要意义。
目前的工业机器人轨迹规划主要分为两类，即关节空间轨迹规划与笛卡儿空间轨迹规划。其中，关节空间轨迹规划是在关节空间中对关节角度的驱动函数进行规划，主要保证机器人运行时关节各类参数*线的平滑性；笛卡儿空间轨迹规划以笛卡儿空间内的末端位姿为基础，主要保证机器人末端位姿的精准度。轨迹规划方法主要有三种关键技术，即插值函数的选取、优化目标函数的确定以及优化求解算法的应用。其中，关节空间轨迹规划的插值函数多采用样条*线的方法[49-52]，当要求轨迹*线高阶平滑时，常采用B样条*线对机器人进行轨迹规划[53-56]；关节空间轨迹规划的优化目标函数以时间*优为主，旨在以*短的时间完成从初始位置到目标位置的轨迹操作[57-61]；关节空间轨迹规划的优化求解算法多采用智能优化算法[62-65]。
从目前的研究现状可以看出，传统的轨迹规划方法大多基于给定的路径点(或控制点)，仅适用于构态不变的传统工业机器人，而对于构态可变的变胞式工业机器人，路径点间可采用多种构态运行，路径点(或控制点)自身的位置也需要根据构态变换的要求进行调整，因此，传统的轨迹规划方法不完全适用于变胞式工业机器人。为提高变胞式工业机器人的工作效率，尽可能发挥其各个构态的优势，王汝贵等[66]和董奕辰[67]根据变胞式工业机器人的工作原理，建立其工作轨迹模型，并基于该模型提出一种时间*优的轨迹规划方法，运用该方法得到*优的关节角度函数以及理论工作轨迹。
1.4 变胞机构动态性能研究概况
面向任务的变胞机构动态性能是变胞机构在工程应用中受载时能正常运行的基本保障。变胞机构在工作过程中顺利实现构态变换是其长期正常运行的保证。由于构态变换过程中会出现内冲击力，这种内冲击力以及任务载荷的随机性都会给机构系统带来较大的振动扰动，内冲击力、外部载荷、运动偏差等因素都会影响构态变换的正常运行，不利于机构的安全性、稳定性和运动准确性。因此，需要采用合理、有效的动态评估指标，以确保变胞机构在实际应用中的正常运行。基于此，许多学者对变胞机构动态性能进行了研究。
金国光等[68-74]对变胞机构动力学做了大量的研究工作，推导出关于刚体动力学和柔体动力学的多种建模和求解方法，对构态变换的冲击力进行分析，根据多体动力学理论，建立变胞机构任意构态的动力学方程，提出该动力学方程的求解方法；进一步地，将高斯*小约束原理应用到变胞机构冲击运动分析中。Zhang等[75]通过对变自由度运动副进行等效变换，利用拓扑学理论和变胞理论研究了变胞机构构态变换的过程。Bruzzone等[44]分析变胞抓手的抓取稳定性，结合机构运动学，提高了抓手的定位精度，增强了抓手抓握的灵活性。Gan等[76]利用旋量理论得出变胞机构的几何约束和驱动力，基于此建立变胞机构的动力学模型。畅博彦等[77-79]提出3PUS-S(P)变胞并联机构的逆动力学分析方法，得出该机构的力传递性能评价指标，以及机构构态变换时内冲击力的变化情况。Valsamos等[80]对变胞机械手进行全局运动性能评估，以所选定的运动学指标的阈值作为评价指标，对工作空间的灵巧性进行评价，确保机械手的运动性能能满足所设定的工作任务的要求。?胡胜海等[81]以一种基于变胞原理的装填机构为研究对象，应用哈密顿(Hamilton)变分原理建立该机构的刚-柔耦合动力学模型，得出弹性变形对机构运动精度的影响。荣誉等[82，83]以运动灵活性和静力承载能力为评价指标，得出3-UPS变胞机构的尺度参数与评价指标之间的关系，进一步推导该机构的逆动力学模型。Yang等[84]基于模糊理论对变胞抓手进行了稳定性分析。李烨勋[85]和王汝贵等[86，87]对面向任务的变胞机构动力学进行研究，将变胞机构系统动态响应的*大李雅普诺夫指数作为动态稳定性的评价指标，分析系统构态变换的动态稳定性的变化。Zhang等[88]对所设计的变胞机构进行力学性能分析，基于此开展动态性能优化研究。李树军等[89]建立扩展阿苏尔(Assur)杆组与变胞机构的运动形式和约束组合的关联模型，得出变胞运动副的约束形式。刘秀莲[90]建立变胞机构全构态运动性能变化模型，得出变胞机构运动性能评价指标。Song等[91]研究6R变胞机构动力约束条件，得出多种构态支链。宋艳艳等[92-95]提出变胞机构冲击建模的理论方法，推导变胞构件构态变换时的冲量求解模型，得出冲量变换规律，根据权重系数法，构建面向综合评价指标的变胞机构参数优化设计模型。李小彭等[96]对所设计的变胞欠驱动手进行了运动轨迹分析，进一步开展接触力分析以及抓取试验研究。周杨等[97]以拓扑学和多体系统动力学理论为基础，提出一种可由变胞源机构动力学模型自动生成任意子机构动力学模型的构建方法。
目前的研究工作一般只考虑面向工程特定任务中的一些单一因素，未能全面考虑变胞式机器人在面向特定工作任务时的影响因素，如机器人工作时的输入电机控制参数、构态变换时负载的变化及可能伴随出现的共振等。而实际上面向任务的变胞机构存在一些不确定参数，如负载重量以及运动误差的不确定性。这些不确定参数的影响，使得机器人在实际工作过程中的动态响应也具有不确定性，导致理论分析所得结果不一定能反映实际工作中的变化情况。王汝贵等[98，
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