机器人创业项目计划书

第一部分 概述一、创业项目概述创业项目概述（500字之内）：对项目总体情况的描述，包括采用的关键技术、技术的创新点、权威部门的技术鉴定情况、环保评价等内容。项目名称：可重构模块化机器人的研发，制造与销售本项目的目标是设计并研发可重构模块化机器人，研发成功后进行批量的制造与销售，并推向市场。可重构模块化机器人是由一套具有各种尺寸和性能特征的可交换的模块组成,能够被装配成各种不同构形的机器人,以适应不同的工作，可重构模块化机器人系统的适应性和可重构性取决于模块本身的性能及模块之间的匹配连接能力。因此本项目研发的可重构机器人的关键技术包括构型设计、运动学、动力学、路径规划、轨迹规划及分布式控制系统等方面,其中在模块与构型方面进行了详细的设计，采用层次分析法对构型设计方案进行评价和决策。设计可重构机器人系统的路径和轨迹规划时，引入可视邻点的概念，提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的新算法，实现多关节机器人在复杂环境下的无碰撞路径规划。对可重构机器人的分布式控制系统进行设计时，将整个控制系统分为路径规划层、轨迹规划层和关节控制三个子控制层，相对于传统的机器人可以更有效实现各关节的协调运动。综合利用以上技术本项目设计的可重构机器人灵活度更高、环境适应能力更强，成本更低，先进性也更强，市场应用前景广阔。 二、创业机会概述创业机会概述（300字之内）：要从项目产品的先进性及应用发展前景、进入市场机会（如：市场现实需求处于萌芽、起步、成长、成熟、饱和、衰退阶段）及市场发展空间、团队实施项目的现有能力和发展潜力等方面描述创业机会。传统的机器人都是根据特定的应用范围来开发,对于任务明确的工业应用来讲,这种机器人已经足够满足实际需要。然而由于市场全球化的竟争,机器人的应用范围要求越来越广,机器人的柔性不能满足市场变化的要求,解决这一问题的方法就是开发可重构机器人系统, 可重构模块机器人具有灵活度高、环境适应能力强以及成本低等特点,在工业装配、军事、灾难救援、深空探测等领域具有广泛的应用前景。因此本项目开发研制的可重构机器人系统先进性比较强，由于市场正处于一个起步阶段并且未来市场需求量会很大，所有研制成功后占据市场的机会也比较大；另外项目实施团队成员经验丰富，基础力量雄厚，能够担负起开发可重构机器人系统的重任。综上，本项目的创业机会比较大，市场前景较为广阔。第二部分 创业团队一、申报人申报人介绍（300字之内）：介绍申报人的创新意识、开拓能力、经营理念以及在科技、经济、管理领域取得的主要业绩。申报人耿涛，于2011年6月在华中科技大学获得控制科学与工程工学博士学位，博士毕业后在河南大学任教至今，现任河南大学物理与电子学院副教授，主要研究方向是控制系统理论与应用，长期致力于先进控制理论与应用、船舶操纵控制等方面的研究工作，主持并参与了多个系统研发项目，项目工作经验丰富。无论是在科研还是在教学方面都受到了老师和同学们的一致好评。近5年来，凭借其超强的创新意识和开拓能力，取得了一系列研究成果，并转化到了相关科技领域中，以第一作者在华中科技大学学报（自然版），Information Technology Journal等杂志发表8篇学术论文，其中6篇EI检索，是Asian Journal of Control，CCDC等多家期刊与会议的论文评阅人。二、创业团队其他成员团队其他成员介绍（1000字之内）：核心团队包括拟任总经理、分管技术、市场、财务等方面的副总经理和同类职务的人员，介绍每一成员的受教育背景、能力与专长、工作业绩等。三、团队创业能力开发能力（200字之内）：介绍团队的研发队伍和资金投入以及项目已取得的研究开发成果。创业团队核心成员均拥有较强的教育和学术背景，同时具有在机器人领域的项目经验。他们有着长期从事与本项目相关研究工作。这些团队核心成员不但是技术上的领军人物，同时也是拟定企业的发展战略的制定者和执行者，他们所具有的国际视野为拟定企业的发展树立了一个高起点，并且奠定了其在国际竞争中“敢为人先”的勇气和意识，对“可重构模块化机器人”项目的顺利实施与实现提供了坚实的基础。项目的资金投入大约为1000万元。营销能力（200字之内）：介绍团队的经营模式和市场策划能力、销售渠道等。瞄准国内市场需求量大、进口机器人产品还未大规模应用的领域，如：医疗以及危险作业等领域。建立以营销经理为中心的专门营销机构和营销队伍，充分利用项目申请人及其团队的人脉，打通营销渠道和建立起营销网络。同时，通过提供本产品相关的技术服务与售后服务，来推行并推广本产品的使用。融资能力（200字之内）：介绍团队的融资策划能力、融资渠道等。项目团队根据实际情况可以采用多种融资方式与融资渠道，包括债权融资、股权融资、优先股融资、租赁融资等方式。此外，项目负责人可以根据项目申请国家以及当地政府的创业基金等，还可以采用风险投资，民间投资等方式进行融资。其他特殊能力（100字之内）：介绍创业项目已获得的特殊资格认证或证明等。四 、张家港拟办企业情况企业名称企业注册时间企业注册地申报人担任企业法定代表人 是 否 团队人数博士硕士本科企业性质 内资 外资 中外合资注册资本 万元股东构成内容货币出资无形资产作价有形资产作价股权比例申报人团队其他成员风险投资其他资金合计申报人不担任或未担任企业法定代表人的相关说明：说明申报人不担任或未担任企业法定代表人的原因，介绍拟任企业法人代表的身份信息以及与其关系。第三部分 项目技术与产品（服务）实现第一章 项目技术方案一、项目总体技术概述（一）总体技术方案项目所依据的技术原理（1000字之内）：1.可重构机器人的模块与构型设计原理可重构模块化机器人系统由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定装配结构的模块以搭积木的方式构成，能构成不同自由度和构型的机器人系统，适应不同的任务需求，模块系统设计和基于模块的构型设计是达到这一目标的关键。可重构机器人系统的特点是一套构件，多种构型，在应用中，用户需要进行二次设计，即根据工作条件和设计要求，确定系统总体方案的主参数和各模块的性能参数，选用模块并进行装配，完成基于模块的系统设计，重构成一个完整的，满足应用要求的机器人系统，这一过程就是构型设计。2.可重构机器人的运动学原理可重构模块化机器人系统构型的多样性，要求其运动学分析方法具有一定的通用性。采用运动螺旋表示，串联机器人运动学正解可表示为形式简洁统一的指数积形式，系统的运动学正解得到很好地解决。基于旋量和指数积公式，在运动学正解的指数积公式的基础上可以构造运动学封闭形式逆解的几何方法，即将整个运动学逆解问题分解成若干可解的子问题，子问题具有明确的几何意义和可重用性。采用指数积公式进行运动学分析的另一个优点是易于对运动学方程进行微分以得到雅可比矩阵。雅可比矩阵将关节速度映射到末端执行器的速度，可以分析机器人的奇异性和可操作性。由于并不是所有的构型都有封闭解，如冗余机器人或封闭解不存在的非冗余机器人，数值方法在可重构机器人的运动学逆解求解也得到广泛研究。3.可重构机器人的动力学原理由于可重构机器人构型的多样性，其动力学的分析和计算对可重构机器人模块的选择、构型的设计和校验、运动仿真、控制系统的分析与综合都有重要的作用。描述机器人动力学特性的参数表示和运动方程式有各种形式，这些方程本质上是“等价”的，但它们是对应于不同任务和目的而建立的，因此方程的结构不同。基于Denavit-Hartenberg(DH)参数表示的动力学拉格朗日方程和迭代方式的牛顿欧拉方法得到很好的解决。在基于运动螺旋与力螺旋表示的拉格朗日方程的基础上，将可重构机器人动力学计算的算法描述如下： (1) 建立基础坐标系，确定各关节的运动旋量坐标，由 pro/E 软件获得各杆件的质量分布参数，在每一杆件的质心处建立一个坐标系，坐标轴统一取为与基础坐标系一致，并由指数积公式确定各杆件质心的初始位姿矩阵。 (2)计算惯性矩阵，根据惯性矩阵计算哥氏矩阵。由指数积公式计算在给定关节变量，最后计算拉格朗日公式中的iV，项。 (3)将作用在末端执行器上的外力/力矩经坐标变换统一转换到空间坐标系或物体坐标系，再经雅可比矩阵折算到各关节的驱动力矩。 (4)由拉格朗日方程计算对应于给定关节运动规律所对应的关节力矩。4. 可重构机器人的路径规划原理机器人的路径(path)是指一组有序的位姿集合，路径规划是确定使机器人末端执行器按要求从初始点运动到目标点的一系列中间点。考虑一般情况，讨论多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的路径规划问题。通过引入可视邻点的概念，提出一种建立数值人工势场的新算法，解决在复杂环境下机器人路径规划的两个难点，即如何评价当前末端执行器绕过障碍物到达目标点的距离信息，以及如何确定当前末端执行器的运动方向。然后，在遗传算法中结合数值人工势场提供的特征信息进行机器人在关节空间的分段路径规划，以避免搜索的盲目性，提高算法的搜索能力。主要技术与性能指标（500字之内）：1.模块与构型设计技术可重构机器人系统的特点是一套构件，多种构型，在应用中，用户需要进行二次设计，即根据工作条件和设计要求确定机器人的构型。在智能设计系统开发工具 DEST 上开发构型设计系统，以人机交互方式实现构型的设计。采用层次分析法对构型设计方案进行评价和决策。将设计的模块分为关节模块、连杆模块、末端执行器模块和基础单元模块(辅助模块)，其中关节模块又分为三种形式：单自由度转动关节、移动关节和多自由度腕关节。2.路径规划设计通过引入可视邻点的概念，提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的新算法，然后结合这些特征信息，采用遗传算法进行在关节空间的分段路径规划方法；轨迹规划可以在笛卡尔空间进行，也可以在关节空间进行。由于路径约束一般是在笛卡尔坐标中给定的，而关节驱动是在关节坐标中受控制的，因此规划的轨迹应满足在两个不同坐标系的混合约束。3.分布式系统设计整个控制系统由路径规划层、轨迹规划层和关节控制三个子控制层组成。对各关节进行了相关的硬件、软件设计，采用带 Anti-windup 校正的 PID 控制器实现位置控制；上位机与各关节控制器之间采用基于 RS485 的 Modbus 协议实现通信，以实现各关节的协调运动。（二）项目创新内容创新类别理论创新 应用创新 技术创新 工艺创新 结构创新项目创新内容（1200字之内）：创新内容要根据选择的创新类别，用技术语言按创新点分条目描述，尽可能多用实验数据，要有数据分析、对比。如果是技术创新，请说明目前一般采用什么技术，申报项目对什么技术进行了创新，；如果是结构创新、工艺创新，需进行新旧结构或工艺对比，并画出新旧结构图和工艺流程图。本项目的创新点主要有以下几个方面：1对可重构机器人系统的模块与构型进行设计时，在分析机器人一般结构的基础上，对机器人的模块划分进行合理的方案设计，在机械结构设计方面，可重构机器人的电机驱动和传动部分只能在关节处，而不能象传统机器人可布置在关节及相邻的连杆处，因此需要简凑、高效的驱动和传动机构设计。为减少末端质量，采用 2-DOF 或 3-DOF集成的紧凑腕关节模块设计；为了重构的方便，将关节模块和夹持器模块设计成智能机电接口形式，具有通信、控制、伺服驱动、传动、感知等功能，模块本身成为一个自治性的单元。在智能设计系统开发工具 DEST 上开发构型设计系统，以人机交互方式实现构型的设计。采用层次分析法对构型设计方案进行评价和决策。2. 对可重构机器人系统的路径规划与轨迹规划进行设计时，提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的新算法，然后结合这些特征信息，采用遗传算法进行在关节空间的分段路径规划方法；轨迹规划可以在笛卡尔空间进行，也可以在关节空间进行。由于路径约束一般是在笛卡尔坐标中给定的，而关节驱动是在关节坐标中受控制的，因此规划的轨迹应满足在两个不同坐标系的混合约束。讨论机器人一般平面曲线的轨迹规划方法，解决的问题包括：笛卡尔空间中控制节点的选取，节点间运动时间的分配，以及规划轨迹与要求轨迹的位置偏差和姿态偏差的估计方法；关节空间中三次样条函数插值以及满足关节速度、加速度及力矩约束的方法。实现多关节机器人在复杂环境下的无碰撞路径规划；进行机器人的一般平面曲线轨迹规划。3.对可重构机器人的分布式控制系统进行设计时，将整个控制系统分为路径规划层、轨迹规划层和关节控制三个子控制层。对各关节进行了相关的硬件、软件设计，采用带 Anti-windup 校正的 PID 控制器实现位置控制；上位机与各关节控制器之间采用基于 RS485 的 Modbus 协议实现通信，以实现各关节的协调运动。（三）与项目相关的知识产权情况权利人相关说明：申报人或团队使用单位知识产权（申报人为非权利人）的，要逐一说明是否得到了权利人的许可使用（提供许可证明文件为有效）、是否存在股权关系、合作关系等。二、项目技术开发可行性（一）项目技术发展现状国内外相关技术的研究、开发现状的介绍、分析（1200字之内）： 国外对可重构机器人系统已经进行了大量的研究,目前已经开发的模块化机器人系统或可重构机器人系统主要有两类:一类是动态可重构机器人系统,另一类是静态可重构机器人系统。动态可重构机器人系统有:Pamecha和Chirikjian的构形变化机器人系统(MetamorphicRoboticSystem),它是由一套独立的机电模块组成的,每个模块都有连接.脱开及越过相邻模块的功能,每个模块没有动力,但允许动力和信息输入且可通过它输到相邻模块,构形改变是通过每个模块在相邻模块上的移动来实现的,这种系统具有动态自重构的能力。Kotay等人提出了分子(Molecule)的概念,自重构机器人的模块称为分子,分子是建立自重构机器人的基础,分子和其它分子相连接且分子能够在其它分子上运动形成任意的三维结构,是一种动态的自重构系统。Yim研究了一种动态可重构移动机器人,不用轮子和履带,而是通过称为多边形杆结构的模块从尾部移到前端,实现重心移动,即机器人的移动,并能通过不同的构形适应不同的环境。Murata等人提出了一种三维自重构结构,其模块为一种齐次结构且仅一种模块,通过一个模块在另一个模块上的运动来动态的组成各种结构.静态可重构机器人系统有:Benhabib的模块化机器人,提出了基于遥驱动技术的模块机器人单元,驱动方式类似于传统的工业机器人,认为驱动部分太重,影响模块机器人的能力,虽然采用该驱动方式使模块化机器人柔性降低,但易实现,是一个折衷的方案。 Paredis,Brown和Khosla的可重构模块化机器人系统(RMMS),它利用一套可交换的不同尺寸和特性的连杆和关节模块,通过组成这些通用模块,能够装配出各种专用的机器人,这种系统特别适用于可重构,并且考虑了软件可重构。Chen等人的模块化可重构机器人,设计了模块库,并研究了构形的设计及运动学和动力学的分析方法。Han等人的模块化机器人机械臂,对模块的机械设计方面开发了一套软件来实现构形的设计。Hui等人提出了一种IRIS装置,它是一种模块化.可重构和可扩展的机器人系统,该装置具有2台42dof转动关节机器人,每台机器人均可重构成各种构形,每个关节由DC电机谐波减速驱动,并装有位置.力矩传感器,它的软件也和硬件一样设计成模块化的、可扩展的和可重构的。Fujita等人开发了一个可重构机器人平台,它是基于Sony公司开发的OPEN2R标准来建立各种软、硬件模块,通过模块组成各种不同的机器人结构,该平台主要用于玩具娱乐业.Matsumaru提出了TOMMS系统(ToshibaModularManipulatorSystem),它是由关节模块.连杆模块和有操纵杆的控制单元组成的,通过人工能够构成各种构形的机器人,其运动学是在构形确定的情况下进行的。Habibi等人研究了可重构液压驱动工业机器人的设计问题. AMTEC公司生产的POWERCUBE产品是模块化的机器人,目的是以各种特定的机器人满足各种生产需要。国内对于可重构机器人的探索起步较晚，还处于初级阶段。中科院沈阳自动化所的于苏洋对国内可重构机器人的发展进行了战略前瞻；上海复旦大学的聂爱英依托泛函分析理论，构建了静力学和动力学运动方程，并利用遗传算法进行了模拟推演。天津大学的王琦开发出基于模糊控制的可重构机器人拓扑结构模型。清华大学，北京航空航天大学，北京理工大学，哈尔滨工业大学和中国科技人学也在进行相关内容的研究，成果颇丰。（二）项目主要研究内容项目研究开发内容及涉及的关键技术及技术指标描述（1500字之内）：逐条阐述项目研究开发的主要内容及涉及的关键技术及技术指标。(1)可重构机器人系统的模块设计与构型设计可重构模块化机器人系统的适应性和可重构性取决于模块本身的性能及模块之间的匹配连接能力。在分析机器人一般结构的基础上，对机器人的模块划分进行合理的方案设计；为了重构的方便，将关节模块和夹持器模块设计成智能机电接口形式，具有通信、控制、伺服驱动、传动、感知等功能，模块本身成为一个自治性的单元。在此基础上设计供实验研究的模块系统。可重构机器人系统的特点是一套构件，多种构型，在应用中，用户需要进行二次设计，即根据工作条件和设计要求确定机器人的构型。在智能设计系统开发工具 DEST 上开发构型设计系统，以人机交互方式实现构型的设计。采用层次分析法对构型设计方案进行评价和决策。(2)可重构机器人系统的运动学分析由于可重构机器人构型的多样性，研究其运动学逆解的通用计算方法是应用中的关键问题。采用运动旋量和指数积公式建立可重构机器人的运动学模型，系统地分析指数积公式的化简方法、子问题的分类和计算方法，为可重构机器人封闭形式的运动学逆解提供一种通用的、可分解的计算方法，以降低求解的复杂性；由于并非所有的构型都有封闭解，如冗余机器人或封闭解不存在的非冗余机器人，基于雅可比矩阵的数值迭代法计算运动学逆解为此提供了一种通用的方法。可重构机器人的自由度和工作空间可以灵活定制，工作空间的自动计算是设计和校核中的一个重要问题。讨论采用降维搜索和二分法计算工作空间的边界点，以及采用双向链表确定工作空间多连域截面封闭曲线的算法，以方便地确定工作空间的各个截面的形状、面积以及整个工作空间的形状、体积，使算法具有良好的通用性。(3)可重构机器人系统的动力学分析 可重构机器人的动力学分析和计算对可重构机器人的模块选择、构型设计和校验、运动仿真、控制系统的分析与综合都有重要的作用。在运动螺旋与力螺旋的基础上，讨论采用拉格朗日方程对可重构机器人进行动力学分析的方法。将运动螺旋表示的指数积公式、雅可比矩阵，以及力螺旋及其变换应用到动力学的拉格朗日方程中，以得到封闭显式的拉格朗日方程，使可重构机器人系统的动力学计算形式简洁，易于程序化实现；便于进行控制系统的分析与综合，适应可重构机器人构型多变的特点。(4)可重构机器人系统的路径规划与轨迹规划 路径规划是确定使机器人末端执行器按要求从初始点运动到目标点的一系列中间点。考虑一般情况，讨论多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的的路径规划问题。通过引入可视邻点的概念，提出一种在机器人工作环境中建立数值人工势场的新算法，然后结合这些特征信息，采用遗传算法进行在关节空间的分段路径规划方法；轨迹规划可以在笛卡尔空间进行，也可以在关节空间进行。由于路径约束一般是在笛卡尔坐标中给定的，而关节驱动是在关节坐标中受控制的，因此规划的轨迹应满足在两个不同坐标系的混合约束。讨论机器人一般平面曲线的轨迹规划方法，解决的问题包括：笛卡尔空间中控制节点的选取，节点间运动时间的分配，以及规划轨迹与要求轨迹的位置偏差和姿态偏差的估计方法；关节空间中三次样条函数插值以及满足关节速度、加速度及力矩约束的方法。(5)可重构机器人的分布式控制系统 由于可重构机器人的关节设计成智能关节，以及其自由度、构型的多样性，控制系统采用分布式控制系统。整个控制系统由路径规划层、轨迹规划层和关节控制三个子控制层组成。对各关节进行了相关的硬件、软件设计，采用带 Anti-windup 校正的 PID 控制器实现位置控制；上位机与各关节控制器之间采用基于 RS485 的 Modbus 协议实现通信，以实现各关节的协调运动。（三）项目技术路线描述项目技术路线描述（1200字之内）：包括技术原理图、工艺流程图、产品结构图、框架图等。第一步是对可重构机器人系统的模块设计与构型设计。模块化设计可提高系统的柔性，可扩展性、可维护性和可交换性，在机器人设计中受到广泛重视。可重构模块化机器人系统由一系列不同功能和尺寸特征的、具有一定装配结构的模块以搭积木的方式构成，能构成不同自由度和构型的机器人系统，适应不同的任务需求，模块系统设计和基于模块的构型设计是达到这一目标的关键。将设计的模块分为关节模块、连杆模块、末端执行器模块和基础单元模块(辅助模块)，其中关节模块又分为三种形式：单自由度转动关节、移动关节和多自由度腕关节。为了重构的方便，关节模块和夹持器设计成智能机电接口形式，具有通信、控制、伺服驱动、传动、感知等功能。构型设计是一种非结构化的设计问题，即难以用数学模型来描述，难以用数值方法来求解。要实现这一类问题的求解，适合采用人工智能来完成符号知识的建模和处理。本项目在智能设计系统开发工具DEST上开发可重构模块化机器人构型设计系统。构型设计系统可以协助设计者进行构型的分析、选择、评价和决策，结合计算机的信息的存储、检索和计算能力，以及设计者的分析、判断、经验、直觉和抽象思维能力，以人机交互方式实现构型的设计。第二步是设计可重构机器人系统的路径规划与轨迹规划机器人的路径是指一组有序的位姿集合，路径规划是确定使机器人末端执行器按要求从初始点运动到目标点的一系列中间点。考虑一般情况，讨论多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的路径规划问题。通过引入可视邻点的概念，提出一种建立数值人工势场的新算法，解决在复杂环境下机器人路径规划的两个难点，即如何评价当前末端执行器绕过障碍物到达目标点的距离信息，以及如何确定当前末端执行器的运动方向。然后，在遗传算法中结合数值人工势场提供的特征信息进行机器人在关节空间的分段路径规划，以避免搜索的盲目性，提高算法的搜索能力。第三步是设计可重构机器人系统的分布式控制系统由于可重构机器人的关节设计成智能关节，以及其自由度、构型的多样性，控制系统应采用分布式控制系统。整个控制系统由三个子控制层组成。第一层为路径规划控制层，实现作业过程规划和指定路径；第二层为轨迹规划层，规划各关节的时基关节变量，产生各关节的运动指令，通过RS-485 网络，采用 Modbus 协议，分发给各关节控制器；第三层为关节控制层，接收上位机的指令，完成各关节的运动控制。各关节控制器进行关节的运动控制，节点管理并向上位机发送关节运行状态信息。（四）项目技术实现依据设计思想依据（200字之内）：包括文献，或专利，或发明等。1 王卫忠，可重构模块化机器人系统关键技术研究，哈尔滨工业大学博士学位论文，2007.2 潘新安，王洪光，姜勇，李正，高文斌. 一种模块化可重构机器人系统的研制.智能系统学报, 2013, 8(4):292-298.3 王春燕,秦利明,李军. 可重构模块化机器人平台设计. 设计与研发, 2015年（03）.4 周冬冬, 王国栋,肖聚亮, 洪鹰. 新型模块化可重构机器人设计与运动学分析. 整机和系统设计,2016（01）.关键技术实现依据（500字之内）：包括理论依据、实验依据等可重构模块化机器人系统的适应性和可重构性取决于模块本身的性能及模块之间的匹配连接能力。采用运动旋量和指数积公式建立可重构机器人的运动学模型，系统地分析指数积公式的化简方法、运动学逆解子问题的分类及其计算方法，为可重构机器人封闭形式的运动学逆解的自动生成提供一种可分解的计算方法，降低了求解的复杂性。在运动螺旋与力螺旋的基础上，采用拉格朗日方程对可重构机器人进行动力学分析。将运动螺旋表示的指数积公式、雅可比矩阵，以及力螺旋及其变换应用到动力学的拉格朗日方程中，得到封闭显式的拉格朗日方程，可以分析复杂的受力情况，使可重构机器人系统的动力学计算形式简洁，易于程序化实现；便于进行构型的设计、校验以及控制系统的分析与综合。基于机器人工作环境中建立数值人工势场的算法，结合数值人工势场提供的特征信息，采用遗传算法在关节空间进行分段路径规划，一种满足笛卡尔空间与关节空间混合约束的机器人平面曲线轨迹规划方法。根据规划的轨迹与要求的轨迹的偏离情况，非均匀地插入控制节点，通过增加有限的控制节点，来有效地控制偏差，减少计算量。项目技术实现主要面临的风险及应对措施（800字之内）：分析可能产生的技术风险因素对实现预期目标的影响和敏感度，阐述控制风险的应对措施。1.技术风险由于本项目所研究开发的机器人是技术难度较大的机电一体化产品，存在一定的技术风险，技术力量是否足够强大、员工操作的熟练程度以及经验的丰富性都项目的成功与否存在在不可忽视的影响作用。主要包括产品机械结构的设计与制造、动力学参数辨识及建模、伺服控制系统的性能、驱动电机的结构及性能等方面。应对措施：河南大学物理与电子学院副教授耿涛，主要研究方向是控制系统理论与应用，长期致力于先进控制理论与应用、船舶操纵控制等方面的研究工作。其团队已经完成了多个机器人相关的项目，具有丰富的项目经验和管理经验，也为可重构模块化机器人项目的实现奠定了良好的基础。因此，本项目的技术缝隙可以规避。2.市场风险近年来，世界工业机器人每年以6%的速度增长，世界市场需求不断增大。工业机器人在我国还属于新兴市场，每年以100%以上的速度得到了快速发展，因此，只要本项目的定位准确，产品在技术水平可、质量和可靠性方面能满足用户需求，其市场风险是可以规避的。3.管理风险项目单位以股份制和现代企业模式运行，项目则实行课题组长负责制。企业与项目负责人签订相关的责任状，同时加强项目科学管理和监督，加强项目进度检查，可确保项目的管理方向降低到最小。4.财务风险根据项目实施的计划进度及相应的资金配置、进度表，项目单位的财务计划以每年年底所剩现金来计划次年的生产规模与研发费用，所以可以回避资金周转不灵等风险。三、项目技术成熟性项目所处阶段论证 研发 中试 批量生产项目产品销售（服务）情况无销售 试销 批量关键技术成熟性分析（800字之内）：包括项目产品采用的现有成熟关键技术、已攻克的关键技术、待研究的关键技术，结合关键技术的实验、生产运用数据情况，分析项目产品技术指标数据稳定性和关键技术成熟程度（尚未成熟、比较成熟、成熟）。现有成熟技术：当前出现的一些可重构机器人系统有美国的Robotics Research Corporation设计了系列化的关节模块，由此可以组装成不同尺寸，不现载荷的 7-DOF灵巧机器人臂。系统模块分为三种，侧滚(Roll)和俯仰(Pitch)和末端带执行器机械接口的旋转关节(Terminal Roll)三种。关节驱动模块具有大负载/重量比，将控制器、驱动器内嵌在关节中，采用内部布线；模块之间采用快速连接机构，可以方便地进行维护和构型变化。控制系统采用开放架构和 R2 分布式控制系统(DCS），提供了有效的运动学冗余算法，奇异性判断算法，位置/力混合控制的阻抗控制和柔顺控制算法等。在工业、航空、航天，国防、科研等领域得到广泛应用。而在国内方面，中国科学院沈阳自动化研究所基于可重构思想设计了一种可重构星球探测机器人系统RPRS，采用模块化的通信系统，监控平台通过无线方式与子机器人控制系统通信，发送控制子机器人的指令，子机器人内部采用CAN总线对操作臂进行控制，北京航空航天大学开发了用于完成复杂地形侦察作业的可重构履带机器人，研究了模块化的机械电气结构和控制方法实现，采用了基于ARM的实时嵌入式控制系统实现分布式控制。可以基于以上技术进行研究和改进。 本项目待研究的关键技术包括：可重构机器人的模块与构型设计技术，关键是研究如何更合理高效的划分模块以及选择合适的构型，需要经过多次试验对比验证，得到最优的结果；可重构机器人系统的路径规划与轨迹规划问题，讨论多自由度关节机器人在有障碍物的复杂工作环境中的路径规划问题，解决在复杂环境下机器人路径规划的两个难点问题；可重构机器人的控制系统问题，由于可重构机器人的关节设计成智能关节，以及其自由度、构型的多样性，控制系统可以采用分布式控制系统。本想选择使用的技术还处于尚未成熟阶段，正在研发测试的过程中，需要不断的进行测试、优化、改进，使得本项目设计的可重构机器人更加完善。项目产品可靠性分析（200字之内）：介绍提高项目产品可靠性的关键环节所采用的技术原理和措施以及经实验或生产已经达到的指标，分析其可靠性。设计可重构机器人的路径规划与轨迹规划时，通过不断的进行数值模拟以及实际测试，逐步解决在复杂环境下机器人路径规划问题。设计可重构机器人的分布式控制系统时，对各关节进行了相关的硬件、软件设计，采用带 Anti-windup 校正的 PID 控制器实现位置控制；上位机与各关节控制器之间采用基于 RS485 的 Modbus 协议实现通信，以实现各关节的协调运动，可靠性比较强。项目产品技术检测情况：已检测：填写检测单位、检测意见、检测时间，并附检测意见扫描件。已检测 尚未检测第二章 项目产品（服务）化一、项目产品（服务）特性产品形态 最终消费产品 工业产品 工业中间产品 技术服务 其它产品（服务）用途（200字之内）：介绍产品（服务）的主要功能、应用领域。能够应用到很多复杂和危险的环境中，可重构机器人可以应用到医疗，科学探索以及危险作业等方面。动态可重构机器人系统主要适用于玩具行业及非制造行业,如空间机器人，危险作业环境下的特殊机器人等,静态可重构机器人系统主要适用于工业机器人。 例如医疗方面可以设计小型的移动机器人，进入人体器官(如肠道、血管)完成手术和定点给药。在太空探索方面，探月工程需要机器人来完成各种作业，正像美国的勇气号和机遇号机器人在火星上执行作业一样。目前可重构机器人已经在这方面得到应用。危险环境作业方面，具有较大的自由度以及自身结构可以替换、修整是可重构机器人有别于其它移动机器人的一大特性。产品（服务）性能比较优势（600字之内）：介绍产品（服务）与同类产品（服务）比较所具有的产品（服务）性能、指标、功能、价格等方面比较优势。可以用列表说明。可重构模块化机器人在许多方面都有着传统机器人不具有的很多优点： 1系统设计简单化、降低了成本。根据不同任务要求和实际环境上的改变，机器人控制系统的模块数量也不能完全确定，有的或许很多，达到几百甚至上万个，而有的控制系统的模块数量可能很少只有几十个，整个机器人的性能上主要通过这些分散的模块所体现。在这种特定的情况之下，每个模块只需要完成一定功能上的控制就行，模块的结构上就得到了很大程度上的简化。而整个机器人系统而这些模块能够按照一定的拓扑结构连接组成新的构型，并且这些模块可以重复使用，从而大大降低了整个系统的复杂性和成本。2替代性强。各个模块都具有相同的外在结构，因此有些模块之间可以相互替代使用。在整个机器人的系统中每一个模块器都起着各自不同的作用职能。一部分模块在功能上也相同，当某个模块在机器人系统正常运行过程中出现故障了导致无法经常运行的情况下，就可以使用功能相同的模块来替换下出现故障的模块，保证了整个系统正常地稳定运行。3适应能力强，应用广泛。模块化的机器人的结构可以根据不同的任务具体要求来重新构型。因此，不同结构的机器人有不同的工作环境和空间，适应于不同的工作任务要求，对不同的环境和任务适应能力强。4具有较高系统稳定性。每一个模块单元上的设计都相当的简单，每个模块本身都具备一定的稳定性，在整个系统正常运行中都担当着各自的功能。系统整体性能上的体现受单个模块的影响是很小的，从而即便是某些个别的模块在系统正常运行时出现了问题，整个系统受到的影响也是极其微小的，整个系统依旧能够正常、稳定的运行。二、产品（服务）化实施计划产品（服务）具备进入市场年度产品能够批量生产年度产品（服务）化实施计划的具体进度安排、阶段目标及主要工作内容（600字之内）： 根据以上国内外可重构机器人的未来几年的发展趋势以及项目的自身情况，我们对拟定及本项目产品的进度安排以及阶段目标如下所示：一，研发制作阶段，首先进行融资，并且集中力量对本项目产品-可重构模块化机器人原型进行研发制作，对各个关键技术进行专门的研发和攻关。按照预期的项目计划，研制出本产品的原型样机，并不断进行试验，优化，直到达到理想的要求。 二：销售推广阶段，通过对产品的宣传推广，达到小批量的生产与销售规模，为本项目产品进入市场做准备。预定销售台数20台，销售额300万元，纯利润达到100万元，国际市场占有率0.02%，国内市场占有率0.12%。 三：全面进入市场阶段，在销售推广的基础上，实现中批量的生产与销售规模，从而是本项目产品进入市场，确定自主品牌的形成。预定销售台数80台，销售额1,200万元，纯利润达到400万元，国际市场占有率0.06%，国内市场占有率0.44%。从而尽早的使本项目在实施初期的投资达到盈亏平衡。而在五年之后，世界经济会从目前的低迷状态再次走向一个大发展的阶段，机器人的世界需求量与国内需求量又会得到一个大幅度的增长。加之中国经济已得到空前的大发展，这是实现全面工业生产自动化的变革时期，所以我们可以估计全球机器人销量的年均增长不会低于5%，国内工业机器人销量的年均增长将会达到15%的增长率，而海外进口工业机器人销量由于仍然受到高额关税的影响只能出现最大10%的增长幅度。因此可以认为五年之后正是中国民族企业大力发展工业机器人的大好时机，有至少3千台的市场空间可以供民族企业自由发挥。机器人的市场前景比较广阔。产品（服务）化拟执行的质量标准类型：填写具体执行的标准文件名称。 国际标准 国家标准 地方标准 行业标准 企业标准 其他项目产品（服务）应取得的相关许可认证证书：填写具体应取得的许可认证证书名称。第四部分 项目产品（服务）市场与竞争第一章 市场概述行业及市场概述（1000字之内）：简要介绍国内外行业状况、市场容量，要有数据分析、对比。1. 行业发展：增长态势延续 1) 预计2017年全球工业机器人销售量25万台 从2008年第四季度起，全球金融风暴导致工业机器人的销量急剧下滑。2010年全球工业机器人市场逐渐由2009年的谷底恢复。 2011年是全球工业机器人市场自1961年以来的行业顶峰，全年销售达16.6万台。2012年全球工业机器人销量为15.9万台，略有回落，主要原因是电气电子工业领域的销量有所下滑，但汽车工业机器人销量延续增长态势。 随着全球制造业产能自动化水平提升，特别是中国制造业升级，我们估计到2017年全球工业机器人销量达到25万台，年复合增长率9.5%。 2) 预计到2017年全球工业机器人市场容量2700亿 2012年全球机器人本体市场容量为530亿元，本体加集成市场容量按本体大约三倍算，估计1600亿元。估计2013年至2017年，包含本体和集成在内的全球工业机器人市场，年复合增长率约为11%。预计2017年全球工业机器人市场容量将达到2700亿元。 3) 预计到2017年全球服务机器人市场容量接近500亿 根据IFR数据，2012年全球个人(或家庭)用服务机器人市场容量为73亿元，公共服务机器人市场容量为208亿元。目前看公共服务机器人产业化走在前面，市场容量更大。 预计2013-2017年个人(或家庭)用服务机器人市场容量增长率为7%，公共服务机器人市场容量年均复合增长率为17%。到2017年，全球服务机器人市场容量将接近500亿元。如果智能家居算是广义的服务机器人，服务机器人市场容量会大很多。2. 全球机器人行业布局：日欧产业优势明显，中国市场潜力巨大 1) 工业机器人市场销量与存量 全球工业机器人本体市场以中欧美日为主。日、美、德、韩、中五国存量占全球比例达71.24%，销量达69.92%。 截至2012年底，全球机器人累计销量达到247万台。机器人平均使用寿命为12年，最长15年。估计现在全球机器人存量在120万台-150万台之间。 分区域看，亚洲/澳洲增幅达到9%。亚洲增幅主要由中国需求拉动，因为中国2012年工业机器人销量增幅达到30%。 分生产地和消费地看，日本是唯一的工业机器人净出口国，拥有全球最大的机器人产能，占据全球机器人产量的66%。机器人消费地最大的区域是除日本以外的亚洲地区，占比约34%，而且是以中国市场为主。美日德三国的机器人销量占机床销量比稳定在一定区间内(15%-25%)，表明这三国的机器人销量趋势与机床销量趋势基本一致，也表明机器人行业发展较为稳定。中国机器人销量占机床销量比在2006-2011年间虽然有所提升，但仍然处于一个较低水平，5%不到。因此，中国机器人行业发展潜力还很大。项目产品（服务）的市场需求程度（1200字之内）：分析该产品（服务）市场可接受的容量，国内、外市场在那，主要市场在那。美国、欧洲、日本、韩国等发达国家长期高度重视机器人产业发展，纷纷推出发展机器人产业的国家战略规划。中国目前正处于建设创新型国家的决定性阶段，必须更多依靠科技创新引领和支撑经济发展。因此，以科技创新为核心，大力发展中国民族品牌机器人产业，对于我国经济发展模式和产业结构调整势在必行。2014年6月，习近平在中国科学院和中国工程院两院大会上重点指出机器人是“制造业皇冠顶端的明珠”，是衡量一个国家科技创新和高端制造业水平的重要标志。“机器人革命”正影响全球制造业格局，这无疑将机器人产业发展推向国家级战略层面。伴随劳动力的结构性短缺以及劳动力成本的急剧上升，我国劳动力红利时代即将结束，面临迫切产业转型升级的需求，这使国内机器人产业迎来了大发展 的春天。我国继2013年成为全球最大的机器人市场后，2014年机器人销量又创新高，预计2017年工业机器人保有量有望达到全球第一。中国机器人密度 明显低于德国、日本等发达国家，中国机器人市场的需求与供给存在庞大的缺口，未来市场空间巨大，这将为我国集中资源，发展国产机器人产业提供强劲动力。机器人产业“十三五”发展规划提出了今后五年中国机器人产业的主要发展方向，工信部将重 点推进工业机器人在轮胎、陶瓷等原材料行业，民爆等危险作业行业，锻造铸造等金属工业行业以及国防军工领域的推广应用;规划也对服务机器人行业发展进 行了顶层设计，家庭辅助类机器人以更高的性价比解放人类双手。从应用范围来看，动态可重构机器人系统主要适用于玩具行业及非制造行业，如空同机器人危险作业环境下的特殊机器人等，静态可重构机器人系统主要适用于工业机器人。因此无论在国内还是在国外，可重构模块化机器人都有着广泛的市场。 项目产品（服务）的目标市场（500字之内）：结合产品（服务）优势、团队优势，确定本产品（服务）的目标顾客、目标市场和市场竞争力，可能的市场地位和市场份额。通过模块的制作而构成的可重构机器人，不仅具有机构简单的特点，而且通过自身的变形组合使其能够适应很多复杂的环境。相对于传统的移动机器人，可重构机器人具有很多优点，能够应用到很多复杂和危险的环境中，可重构机器人有广泛的应用前景。可重构机器人可以应用到： 1. 医疗:设计小型的移动机器人，进入人体器官(如肠道、血管)完成手术和定点给药是机器人研究的一个新的热门领域。2. 科学探险和状况检查：代替或部分代人去完成危险环境中的作业是研制机器人的主要目的之一。科学探索是科学家探索大自然奥秘和丰富地质资源的有利手段，但是常常因为环境和气候恶劣，无法到达目的地完成指定的探险任务。3. 太空探索：探月工程需要机器人来完成各种作业，正像美国的勇气号和机遇号机器人在火星上执行作业一样。目前可重构机器人已经在这方面得到应用。4. 危险环境作业：较大的自由度以及自身结构可以替换、修整是可重构机器人有别于其它移动机器人的一大特性。它可以穿越狭小空间、进入危险环境，然后完成操作任务。因此可重构模块化机器人研制成功后将会占据较大的市场份额，本项目的生产目标为5年达到年500台的生产能力，现在国内市场占据一定地位，然后推向国际市场，根据目前世界与国内的生产销售情况，可以预测我们的产品的国际市场的占有率为0.34%，国内市场的占有率可超过2%。市场地位也会高于现有的机器人，在市场将会具有较强的竞争力。第二章 竞争优势分析项目产品（服务）的主要竞争者（300字之内）：描述现实和可能的竞争对手产品（服务）的技术现状、销售额、所占市场份额等。目前世界上工业机器人的年销售台数约为15万台，我国的年销售台数也达到1万台以上，但是外国的机器人产品占据了绝对优势，可以说99%以上为海外产品，如欧洲的ABB，日本的安川电机、FANUC等。而国内的产品只有沈阳新松等数家企业，其生产能力再大，也只能占领市场的1%不到。所以说，工业机器人的市场竞争主要是针对海外进口产品。项目产品（服务）竞争优势分析（500字之内）：从产品（服务）的优势、进入市场机会（空白/新开发/成长/高成长/成熟/饱和）、营销优势、行业的认知、企业管理优势等多方面分析与市场同类产品的竞争优势。尽管海外企业的市场占有率很大，但比起汽车行业来说，目前正中国国有品牌打开市场大展宏图的好时机，原因有以下两个：1.比起汽车行业，世界机器人企业的数量并不多，主要的也不过4、5家。而企业用于扩大再生产的资金有限，这使得机器人的市场永远是需大于求；2.中国国内市场每年有2万台以上的需求，而对机器人关税的提高，加之海外产品本身价格昂贵，所以导致国内制造业积极寻求价廉物美的国有产品。所以，可以说每年有2000台以上的市场空间供国有企业发展开拓。因此可以看出目前可重构机器人的市场是供远远小于求，并且正处于一个起步发展的阶段，可以说目前是不存在竞争环境的，只要加大研发投入并不断的进行创新和技术攻关，并迅速形成可重构机器人的产业化，就能尽快占据原始市场，并在激烈的市场竞争中占据有利地位。第三章 项目实施风险及应对措施市场风险与应对措施（300字之内）：分析可能产生的市场风险因素（客源流失、市场疲软、价格波动等）对产品市场的影响和敏感度，阐述控制风险的应对措施。本项目所研究开发的可重构机器人是技术难度较大的机电一体化产品，存在一定的技术风险。主要包括产品模块系统的规划与设计，机械结构的设计与制造、动力学参数辨识及建模、伺服控制系统的性能、驱动电机的结构及性能等方面。应对措施：河南大学物理与电子学院副教授耿涛，主要研究方向是控制系统理论与应用，长期致力于先进控制理论与应用、船舶操纵控制等方面的研究工作。其团队已经完成了多个机器人相关的项目，具有丰富的项目经验和管理经验，也为可重构模块化机器人项目的实现奠定了良好的基础。因此，本项目的技术缝隙可以规避。竞争风险与应对措施（300字之内）：分析主要竞争对手带来的竞争风险因素（经济实力、产品价格优势等）对竞争力的影响和敏感度，阐述控制风险的应对措施。近年来，世界机器人每年以6%的速度增长，2007年，世界市场需求已达10万台以上。机器人在我国还属于新兴市场，每年以100%以上的速度得到了快速发展。而可重构机器人属于机器人研究的一个新领域，国内外很多公司公司都在投入研发力度，竞争比较激烈。因此，只要本项目的定位准确，产品在技术水平可、质量和可靠性方面能满足用户需求，其市场风险是可以规避的。管理风险与应对措施（300字之内）：分析企业管理活动中可能产生的管理风险因素（人事、人员流动、关键雇员依赖等）对产品开发和生产的影响和敏感度，阐述控制风险的应对措施。项目单位以股份制和现代企业模式运行，项目则实行课题组长负责制。企业与项目负责人签订相关的责任状，同时加强项目科学管理和监督，加强项目进度检查，可确保项目的管理方向降低到最小。根据项目实施的计划进度及相应的资金配置、进度表，项目单位的财务计划以每年年底所剩现金来计划次年的生产规模与研发费用，所以可以回避资金周转不灵等风险。环境风险与应对措施（300字之内）：分析企业外部环境给企业带来的环境风险因素（国家产业政策调整、行业规章变化等）对产品的开发和生产影响和敏感度，阐述控制风险的应对措施。 国家宏观经济政策、政治政策、环保政策、知识产权保护政策等的变动以及各地区相关政策的变动会直接影响到企业融资、产品销售、原材料供应、技术保密与发展、人员招聘等方面。应对策略是设立有关条款要严格遵守国家法律法规，一切以不违反国家政策为前提；将会与行业协会保持联系，加强对有关政策法规的关注和分析，并及时调整公司的经营战略和销售策略。第五部分 商业模式一、项目产品（服务）的开发、生产（服务）策略项目产品（服务）的开发、生产（服务）策略（600字之内）：从利用企业优势、合理组合各种资源出发，描述对产品（服务）开发、生产、销售进行的合理策划，以提高产品（服务）综合竞争力，满足市场的需求，在较短时间内开发和生产出具有竞争力的产品（服务）。本项目研发涉及机械、材料、运动控制、伺服驱动、计算机、动力学等多学科和技术。因此，本项目将利用高校、企业及海外留学人员知识结构的综合优势及项目联合体已有的研究和产品基础及已有的分析软件及加工设备，在充分调研国外同类产品的基础上开展具有自主知识产权的工业机器人及其关键技术和关键工艺的研究，项目既要采用已有的先进的基础理论和技术，又要进行理论、算法和关键技术等方面的创新研究。二、项目产品（服务）的营销策略项目产品的营销策略（400字之内）：制定产品（服务）市场的推广计划，制定产品销售（服务）计划，及制定计划时所采取的各种策略。营销机构和营销队伍：建立以营销经理为中心的近十人的营销机构和营销队伍；制定可重构机器人的市场推广计划和销售计划并严格执行；营销渠道和营销网络的建设：项目申请人是河南大学副教授，可以根据其在同行业中的人脉，打通营销渠道和建立起营销网络；广告策略：通过机器人协会会等制造业相关学术社会团体的月刊以及互联网，社交媒体，广告等来宣传与推广，扩大产品的知名度和影响力；促销策略：通过提供本产品相关的技术服务与售后服务，来推行并推广本产品的使用，并保证产品的质量与信赖性；可以通过举行机器人展览会并邀请用户来免费进行体验的方式来进行促销等，扩大产品在市场中的影响力。三、项目产品（服务）获利方式项目产品（服务）的获利模式（400字之内）：阐述企业所针对的市场竞争环境、竞争优势与不足，分析和制定产品（服务）的最佳获利方式（其中可分析技术的先进性对获利方式的贡献程度等