研究方向

Research

围绕索驱机器人机构设计、建模分析与运动控制等关键问题，开展索驱机器人基础理论、方法与系统研究。

研究工作面向大空间、高负载、轻量化机器人系统需求，关注机构构型、机器人建模、动力学特性以及多索协调运动控制等基础问题，并结合实际机器人系统开展实验验证。

Research Areas

三个核心研究方向

从机构设计、系统建模到运动控制，形成索驱机器人研究的基础技术链条。

机构与构型设计Mechanism & Configuration Design
建模与动力学Modeling & Dynamics
运动与协调控制Motion Control & Coordination

01 / Research Area

机构与构型设计

Mechanism & Configuration Design

围绕不同工作空间、负载能力和运动性能需求，研究索驱机器人的机构构型、索系布局与结构参数设计，为机器人系统的运动能力和工程实现提供基础。

Research Focus

机构构型Mechanism Configuration
索系布局Cable Arrangement
工作空间Workspace
参数设计Parameter Design

机构与构型设计 — research illustration — 机构原理与索力约束研究示意

02 / Research Area

建模与动力学

Modeling & Dynamics

围绕索驱机器人运动与受力特性，开展运动学、动力学及相关系统建模研究，为机构分析、性能评估和控制方法研究提供模型基础。

Research Focus

运动学Kinematics
动力学Dynamics
索力与受力分析Cable Force Analysis
性能分析Performance Analysis

03 / Research Area

运动与协调控制

Motion Control & Coordination

围绕多根绳索协同驱动条件下的机器人运动控制问题，研究轨迹运动、多索协调与系统运行控制方法，提高索驱机器人在实际任务中的运动稳定性与可控性。

Research Focus

轨迹运动Trajectory Motion
多索协调Cable Coordination
运动控制Motion Control
系统控制System Control

Research Foundations

学术基础与研究积累

索驱机器人研究建立在并联机器人理论、机构学、机器人动力学、运动控制与工程装备研究等基础之上。

REFERENCE 01

索驱动及刚性并联机构的研究与应用

唐晓强 · 邵珠峰 · 姚蕊

清华大学出版社 · 2020

围绕索驱动及刚性并联机构的基础理论、分析方法及工程应用展开系统论述。

REFERENCE 02

Research and Application of Cable-Driven and Rigid Parallel Robots

Xiaoqiang Tang · Zhufeng Shao · Rui Yao

Springer · 2021

系统介绍索驱动与刚性并联机器人的理论、设计方法及相关工程应用。

Selected Research Topics

核心研究示例

围绕索驱并联机器人机构设计、建模分析、性能评价、优化设计与控制等关键问题，团队形成了若干具有代表性的研究专题与研究成果。

01 / RESEARCH EXAMPLE
刚柔串联耦合系统的动力学建模方法
Rigid-Flexible Coupled Dynamics Modeling
柔性支撑并联机构中，柔性支撑与刚性并联机构呈串联耦合，传统针对单一刚性或柔性系统的动力学建模方法难以直接适用。
研究分别建立柔性支撑弹性动力学模型、基础平台运动的刚性并联机构动力学模型以及外界扰动模型，并将各分离模型联立，形成刚柔串联耦合系统的整体动力学模型。
该模型用于揭示柔性支撑与刚性并联机构之间运动与力的相互作用，并已在 FAST 1:15 完整运动学缩尺模型相关研究中应用。
代表性论文
1. 01
  Dynamic modeling and wind vibration control of the feed support system in FAST · Z Shao, X Tang*, L Wang, X Chen · Nonlinear Dynamics, 2012, 67(2):965-985 · (SCI, EI)
2. 02
  Driving force analysis for the secondary adjustable system in FAST · Z Shao, X Tang*, X Chen, L Wang · Robotica, 2011, 29(06):903-915 · (SCI, EI)
02 / RESEARCH EXAMPLE
基于正交度的运动学性能评价指标
Kinematic Performance Evaluation Based on Orthogonal Degree
运动学性能指标是并联与索驱机构优化设计的重要依据。并联机构本质上是将关节驱动力向终端进行力传递与约束的过程。
基于欧氏空间矩阵正交度，分析索并联机器人驱动力与约束力的传递，以及刚性并联机构链内与链间力传递特性，建立局部与全局力传递性能评价指标。
指标与坐标系无关、取值范围为 0～1，可用于性能分析、奇异性判断、尺度优化与构型优选。
代表性论文
1. 01
  Transmission Index Research of Parallel Manipulators Based on Matrix Orthogonal Degree · Z Shao*, J Mo, X Tang, L Wang · Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2017, 30(6):1396-1405
2. 02
  Improving the kinematic performance of a planar 3-RRR parallel manipulator through actuation mode conversion · Z Zhang, L Wang, Z Shao* · Mechanism and Machine Theory, 2018, 130:86-108 · (SCI, EI)
3. 03
  Analysis and optimization of a novel planar 5R parallel mechanism with variable actuation modes · L Wang, Z Zhang, Z Shao*, X Tang · Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2019, 56:178-190 · (SCI, EI)
4. 04
  Optimization and implementation of a high-speed 3-DOFs translational cable-driven parallel robot · Z Zhang, Z Shao*, L Wang · Mechanism and Machine Theory, 2020, 145:103693 · (SCI, EI)
03 / RESEARCH EXAMPLE
基于等效惯量的动力学性能评价指标
Dynamic Performance Evaluation Based on Equivalent Inertia
惯量决定机器人动态特性，也是驱动系统选型的重要依据。并联机器人惯量以矩阵形式存在于机构中。
构建量纲统一的关节空间惯量矩阵，提出关节映射等效惯量（JRI）与惯量变异系数（CVI），建立局部及全局动力学性能评价指标。
据此分析加速能力、动态响应与机械振动频率，建立惯量匹配准则，为驱动系统匹配与动态性能提升提供依据。
代表性论文
1. 01
  Dynamic performance analysis of the X4 high-speed pick-and-place parallel robot · J Mo, Z Shao*, L Guan, F Xie, X Tang · Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2017, 46:48-57 · (SCI, EI)
2. 02
  Research on the inertia matching of the Stewart parallel manipulator · Z Shao, X Tang*, X Chen, L Wang · Robotics and Computer-Integrated Manufacturing, 2012, 28(6):649-659 · (SCI, EI)
3. 03
  Inertia Match of a 3-RRR Reconfigurable Planar Parallel Manipulator · Z Shao, X Tang*, X Chen, L Wang · Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2009, 22(6):791-799 · (SCI, EI)
04 / RESEARCH EXAMPLE
综合优化设计方法
Integrated Optimization Design Method
面向索驱与并联机器人，开展“尺度－结构－驱动”一体化综合优化设计。
尺度层面：基于矩阵正交度力传递性能指标，结合性能图谱与非线性优化完成尺度优选。结构层面：结合三维虚拟样机、关节映射惯量与惯量变异系数等动力学指标，确定尺寸与机械结构。
驱动层面：依据惯量匹配准则，综合功耗、扭矩与速度要求，完成伺服电机与传动链匹配。
代表性论文
1. 01
  Optimization and implementation of a high-speed 3-DOFs translational cable-driven parallel robot · Z Zhang, Z Shao*, L Wang · Mechanism and Machine Theory, 2020, 145:103693 · (SCI, EI)
2. 02
  Workspace Analysis and Optimal Design of a Translational Cable-Driven Parallel Robot with Passive Springs · Z Zhang, Z Shao*, F Peng, H Li, L Wang · Journal of Mechanisms and Robotics, 2020, 12(5):051005 · (SCI, EI)
3. 03
  Kinematic performance analysis and promotion of a spatial 3-RPaS parallel manipulator with multiple actuation modes · L Wang, Z Zhang, Z Shao* · Journal of Mechanical Science and Technology, 2019, 33(2):889-902 · (SCI, EI)
4. 04
  Atlas Based Kinematic Optimum Design of the Stewart Parallel Manipulator · Z Shao, X Tang*, L Wang, D Sun · Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2015, 28(1):20-28 · (SCI, EI)
05 / RESEARCH EXAMPLE
抑振控制理论
Vibration Suppression Control Theory
轨迹补偿抑振控制：利用刚性机器人实时补偿柔性支撑振动造成的终端位姿误差；通过非接触式位置传感器测量基础姿态误差，将其转换到刚性机器人关节坐标系，由控制器进行补偿，兼顾终端精度与柔性支撑稳定性。
内力抑振控制：利用刚性机器人运动产生的反作用力抵消柔性支撑振动；基于柔性支撑并联机构整体动力学模型，利用加速度等信息估计所需反作用力，控制刚性机器人执行补偿动作，提高系统整体稳定性与终端精度。
上述抑振控制理论已在 FAST 1:15 完整运动学缩尺模型中开展验证和应用。
代表性论文
1. 01
  Dynamic modeling and wind vibration control of the feed support system in FAST · Z Shao, X Tang*, L Wang, X Chen · Nonlinear Dynamics, 2012, 67(2):965-985 · (SCI, EI)
2. 02
  A Fuzzy PID Approach for the Vibration Control of the FSPM · Z Shao, X Tang*, L Wang, Z You · International Journal of Advanced Robotic Systems, 2013, 10:59 · (SCI, EI)
3. 03
  Optimum Design of 3-3 Stewart Platform Considering Inertia Property · Z Shao, X Tang*, L Wang · Advances in Mechanical Engineering, 2013(5):1-10 · (SCI)
4. 04
  FAST馈源支撑系统的终端精度保证研究 · 刘志远, 陈炼, 邵珠峰*, 王立平, 唐晓强 · 机械工程学报, 2017, 53(17):50-59 · (EI)
06 / RESEARCH EXAMPLE
索并联机器人终端驱动及约束性能分析理论
Actuation and Constraint Performance Analysis of Cable-Driven Parallel Robots
索并联机器人构型及运动分析的基础是索力（Tension）与终端力旋量（Wrench）之间的映射关系。针对这一关系，课题组提出 AWS（Available Wrench Set）分离降维方法，实现力维度和力矩维度的解耦分析，解决传统方法维度耦合、分析结果不够直观的问题。
在此基础上，进一步提出 AWS 增广空间方法，突破传统 AWS 凸包降维及信息丢失问题，提高 AWS 分析的准确性和通用性。
将索并联机器人的运动要求划分到自由度空间与矢量力系空间，通过自由度与约束之间的对偶转换设计刚性支链，并基于矢量封闭原理确定绳索布局，建立“刚柔并联”索机器人构型综合方法，实现高效驱动与有效约束的结合，在简化机器人本体结构的同时丰富索机器人构型形式。
代表性论文
1. 01
  Anti-disturbance performance analysis and tension distribution method for redundant cable-driven parallel robots · Jinhao Duan, Hanqing Liu, Zhufeng Shao*, et al. · Mechanism and Machine Theory, 2025, 205: 105861
2. 02
  Anti-disturbance performance analysis and the innovative design of the FAST fine-tuning platform · Jinhao Duan, Hanqing Liu, Zhufeng Shao*, et al. · Mechanism and Machine Theory, 2024, 197: 105645
3. 03
  Reconfiguration and Performance Evaluation of TBot Cable-Driven Parallel Robot · Jinhao Duan, Hanqing Liu, Zhufeng Shao*, et al. · Journal of Mechanisms and Robotics, 2025, 17(1)