电液伺服并联六自由度机构刚柔耦合建模与控制研究

针对目前并联六自由度机构刚体动力学建模及控制研究的不足，提出针对电液伺服并联六自由度机构，考虑其柔性环节，进行刚柔耦合动力学建模及控制的研究。首先，利用多体、多自由度柔性机构建模理论，建立并联六自由度机构刚柔耦合动力学模型；同时利用有限元技术建立并联六自由度机构刚柔耦合有限元模型，进行计算机仿真，分析其振动机理，并利用实验模态分析方法对建立的刚柔耦合动力学模型和有限元模型进行修正；在此基础上，对建立的并联六自由度机构刚柔耦合动力学模型进行降阶研究，获得适合控制器设计的合理简化动力学模型；最后，研究并联六自由度机构刚柔耦合控制策略，实现机构高精度轨迹跟踪同时抑制其柔性振动。开展针对并联六自由度机构这样多体、多自由度复杂非线性系统的刚柔耦合建模及控制的研究，具有重要的理论和工程价值。项目对拓展并联六自由度机构的应用领域，发展我国的工业技术以及提高国防军事建设水平等都具有重要意义。

当前机器人的重要发展方向是高速和轻量化，由此带来了机器人高精度运动控制的挑战。当前一般机器人的运动控制均采用刚体动力学模型，忽略了机构的高阶模态，这在机构刚性足够的情况下是合理的。然而，高速和轻量化带来的挑战是机构的高阶模态无法忽略，必须当成柔性体对待，即存在刚柔耦合问题。柔性体的振动控制也是一个研究热点，一般研究的是结构体的振动抑制问题，如桥梁，高层建筑等。如何考虑机器人的刚柔耦合问题，将运动控制与振动控制有机结合是本项目的主要研究内容。本项目综合运用拉格朗日法，有限元理论，最优控制理论，非线性控制理论，边界控制方法，开展了并联机构刚柔耦合建模，运动控制及振动控制理论及应用的研究，取得了以下成果：1）研究了刚柔耦合机构动力学建模问题。利用有限元理论和拉格朗日方程，建立了并联机构刚柔耦合动力学模型，并利用商用动力学仿真软件验证所建立的耦合动力学模型的正确性。2）在此基础上，提出一种基于应变反馈的优化算法，完成了该算法的稳定性证明。仿真结果表明，该方法在不额外增加执行器情况下，在达到良好的运动控制精度的同时抑制了机构振动。3）研究了基于集中干扰观测器的电液伺服并联六自由度机构鲁棒自适应控制算法，仿真和实验表明，该方法对于电液伺服并联六自由度机构高精度轨迹跟踪控制具有较好的鲁棒性和适应性。4）研究了边界控制在刚柔耦合机构控制中的应用，该方法直接采用描述柔性体的偏微分方程进行控制器设计，且执行器和传感器布置在边界处，易于安装，研究结果表明，该方法是一种比较有前景的刚柔耦合机构控制方法。以上成果已发表论文5篇，在审论文3篇，获授权发明专利1项，授权实用新型专利1项。本项目的研究发展了刚柔耦合机构建模及控制理论，为高速、轻量化机器人的高精度控制奠定了基础。