大型重载起重吊装空间协作柔索并联构型装备机构的动态性能分析与协调控制技术研究

This project is mainly concerned with dynamic performance analysis and coordinated control technology of large heavy-duty spacial cooperative cable parallel equipment for mobile cranes based on integrated mechanical and electro-hydraulic optical technology, multidisciplinary co-simulation method and experimental research. Dynamic performance variation of the large heavy-duty spacial cooperative cable parallel equipment for mobile cranes is revealed from dynamic load-carrying capacity, condition number, stiffness characteristics and sensitivity analysis of the cable parallel equipment for mobile cranes. Considering collaboration behavior of the large heavy-duty spacial cooperative cable parallel equipment for mobile cranes in a complex environment, obstacle avoidance planning strategy and coordinated force and motion control method are developed to achieve a high-performance output motion for the large heavy-duty spacial cooperative cable parallel equipment for mobile cranes with strong adaptability and high accuracy. Multiobjective integrated optimization design model of the large heavy-duty spacial cooperative cable parallel equipment for mobile cranes is established by using synergistic effect principle of the interaction between the various disciplines, and integrated design theory and methods for the cable parallel equipment are developed. Dynamic stability monitoring technology, comprehensive experiment and analytical assessment of performance of the large heavy-duty spacial cooperative cable parallel equipment for mobile cranes are investigated, and the results can provide theoretical and experimental foundation for integrated dynamic performance prediction, enhancement, and effective control for the whole large heavy-duty spacial cooperative cable parallel equipment for mobile cranes.

本项目以大型重载起重吊装空间协作柔索并联构型装备机构为研究对象，综合运用机电液光一体化技术、多学科联合仿真方法与实验研究手段，深入开展协作柔索并联构型装备机构的动态性能分析与协调控制技术研究。通过大型重载起重吊装协作柔索并联构型装备机构的动态承载能力、条件数、刚度特性与灵敏度分析，揭示整体协作装备机构动态性能变化规律；针对大型重载起重吊装协作柔索并联构型装备在复杂环境下的协同作业行为，建立装备机构协作完成强适应性和高精度作业过程的避障规划策略与协调力和运动控制方法；应用机电液等各学科间相互作用协同效应机理，建立起重吊装协作柔索并联构型装备机构的多目标集成优化设计模型，发展空间协作柔索并联构型装备机构集成设计理论与方法；通过大型重载起重吊装协作柔索并联构型装备机构的动态稳定性能监控技术研究、综合实验与性能分析评估，为整体空间协作柔索并联构型装备机构的综合动态性能预测、提升和有效控制奠定基础。

随着工程任务的日益艰巨，多台起重机协作吊装越来越多地应用于工程中。然而多起重机的耦合增加了吊装作业的复杂程度、指挥难度和危险性，极易导致碰撞、倾覆等重大连锁事故。本项目以大型重载起重吊装空间协作柔索并联构型装备机构为研究对象，综合运用机电液光一体化技术、多学科联合仿真方法与实验研究手段，深入开展该协作柔索并联构型装备机构的动态性能分析与协调控制技术研究。.以柔索并联机构的角度对多起重机协作柔索并联吊装装备进行分析。根据工程应用需求，在柔索并联机构自由度理论的基础上设计多起重机协作柔索并联吊装装备，并提出可行的协作吊装方案。采用拉格朗日方程对多起重机协作柔索并联吊装装备进行动力学分析，掌握了装备的动力学特性，建立了机电液多域联合仿真模型。对多起重机协作柔索并联吊装装备的关键性能指标进行了深入的分析，建立了整体装备的误差模型并进行了灵敏度分析，获得了关键结构参数对装备工作空间的影响规律以及装备误差特征和灵巧度性能指标分布图谱，对多机协作吊装作业结构参数优化和协调控制具有指导意义。开展多起重机协作柔索并联吊装装备协同定位、避障规划与调平控制研究。根据多移动机器人作业环境模型的表征要求，结合基于多边测量的改进定位算法进行系统定位求解，采用基于栅格的人工势场方法进行系统的全局路径规划，有效规避了传统人工势场法局部极小点问题。研制了多起重机协作柔索并联吊装装备实验系统，构建基于多传感器等技术的协作柔索并联构型装备机构状态监控系统，设计多起重机协作柔索并联吊装装备自适应鲁棒迭代学习控制器，实现了吊装物的高精度轨迹跟踪，为更深入的工业性应用实验奠定了理论基础。.项目取得了预期研究成果。本项目研究成果获得中国电子学会科学技术奖技术发明类二等奖1项，共发表论文21篇，其中SCI收录13篇，EI收录4篇，授权发明专利11项，授权软件著作权5项，发表中文专著1部，培养博士生1名，硕士生7名。