以步行机器人、上料机器人、焊接机器人为代表的关节型机器人对国家智能制造战略的实现及产业升级具有重要意义。关节型机器人性能与国外差距明显，构型不能满足特殊行业作业需求。在国家自然科学基金与省科技攻关项目的支持下，经过十余年的“产学研”联合攻关，项目组开展关节型机器人结构与功能协同构型设计、特性分析与优化、结构-运动-动力特性的统一建模等研究，攻克其结构与功能创新、运动特性分析等难题。自主研制了具有手/脚融合特点的步行机器人、易碎件上料与装配机器人、自动焊接机器人工作站等关节型机器人产品，实现了产业化应用。

（1）针对非结构环境中作业空间限制及作业对象的特殊需求，提出了关节型机器人结构与功能协同的仿生构型设计方法，模拟生物体的结构与功能，开展关节型机器人的腿脚结构、手部结构、关节结构等仿生设计。将多足机器人手的作业功能与脚的行走功能融合，发明了具有手/脚融合功能的步行机器人结构构型；提出了软性手指与刚性手指体相结合、手指系统可以回缩与内藏于手掌内的柔顺机械手构型，解决了易碎件手指内撑式抓取和指-掌协同装配高速作业的技术难题。突破机器人在狭小工作环境中作业能力限制的仿生构型及设计方法，为关节机器人结构与功能协同设计提供了范式。

（2）开展结构与功能协同构型的机器人特性分析与优化技术研究：提出了基于降维迭代的机器人从属驱动参数的快速求解方法，解决了机器人特性的实时分析解算不能满足其实时控制需求的难题；基于“信噪比”理论、田口方法、运动参数几何求解法，提出了以运动精度为目标的机器人的参数优化技术，提供了高运动精度机器人的参数优选方案；基于几何方法与运动稳定性条件，开发了混联构型机器人的工作空间分析系统，为控制机器人实现稳定作业提供了理论模型。项目的特性分析与优化技术为高性能关节型机器人的研发提供理论支撑。

（3）关节型机器人结构-运动-动力特性的统一建模技术：依据机器人设计的“臂腕分离”原则，基于D-H参数法对关节型机器人构型进行拓扑分类，得到32类结构构型；推导出了机器人构型的位置雅可比与奇异性之间的映射关系；构建了负载力-关节力（力矩）、重力-关节力（力矩）之间的传递系数模型；提出了基于贝塞尔曲线和遗传算法的机器人轨迹规划与系统控制方法；研发了智能化嵌入式自动控制系统，提出重力补偿控制算法，解决了因负载突变而导致关节运动抖动的技术难题。揭示了机器人构型参数、工作状态、驱动能力、控制模式等与运动学和动力学特性的内在联系和规律，解决了机器人构型性能定性与定量评价及构型优选的难题。

项目共取得专利12项，其中发明专利8项、实用新型专利4项；软件著作权2项；发表论文15篇，其中SCI检索4篇（JCR2区2篇），核心及EI检索期刊11篇，获河南省教育厅科技成果奖一等奖1项，河南省自然科学优秀学术论文奖一等奖1项、二等奖2项。

相关研究成果在郑州科慧科技股份有限公司、河南黄河旋风股份有限公司、武汉中安佳通装备技术有限公司等企业应用推广。近三年来，以项目技术为支撑开发了系列机器人产品，在全国范围内广泛销售，并有部分产品出口，共新增销售额50455.11万元，新增利润6419.76万元。其中“半挂车悬挂机器人自动化焊接A生产线和B生产线”，“轮口板机器人工作站”，“鸿路钢构-机器人焊接系统”等产品被认定为河南省首台（套）重大技术装备。其经济效益与社会效益十分显著。

成果说明

项目开发的成果，在郑州科慧科技股份有限公司、河南黄河旋风股份有限公司、郑州润华智能设备有限公司、武汉中安佳通装备技术有限公司、河南黄河田中科美压力设备有限公司等的机器人开发与应用中获得广泛应用。近三年，在机器人产品的开发与应用中，共新增销售额50455.11万元，新增利润6419.76万元。其经济效益与社会效益十分显著 郑州科慧科技股份有限公司是河南省焊接机器人生产的龙头企业。在项目的研究中，利用本项目的焊接机器人结构设计、运动与动力建模、轨迹规划等研究成果，并结合公司的产品开发优势，合作开发了焊接机器

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