绳索驱动并联机器人的高速高精度动力学控制研究

The cable-driven form can overcome the disadvantages of small workspace and complex mechanism structure of parallel manipulators. However, non-negative cable tension, variable mass for the cable expanding and gathering, nonlinear friction, and hybrid control of trajectory and tension make the theoretical research and actual application of parallel manipulators very challenging. Therefore, this project starts from the particular problems caused by the cable-driven form, and resolves several key problems such as tension optimization of cables, dynamic modeling of the variable mass system, nonlinear friction modeling and identification, and hybrid adaptive control of trajectory and tension for cable-driven parallel manipulators, by using the basic theory and the new methods in robotics, automatic control and optimization. Then the project proposes accurate system modeling and high-accuracy control methods based on dynamics. Finally, the proposed theoretical methods are validated on a cable-driven parallel manipulator platform, and an actual high-speed and high-accuracy dynamic control scheme is established. This work promotes the theoretical study of the cable-driven parallel manipulators, expands the application of parallel manipulators in the field of high-speed motion control at large space, and provides important theoretical and technical supports to the development of new robots and high-level equipment manufacturing.

绳索驱动能够克服现有并联机器人工作空间小和机械结构复杂的缺陷，但是，绳索的单向力特性、长度变化导致的变质量、非线性摩擦力、轨迹/拉力混合控制等特殊问题也给并联机器人的理论研究和实际应用带来了巨大的挑战。为此，本项目从绳索驱动所带来的特殊问题入手，利用机器人学、自动控制、最优化等领域的基础理论和最新方法，逐一解决绳索驱动并联机器人中的绳索拉力优化、变质量系统的动力学建模、非线性摩擦力建模与辨识、轨迹/拉力混合自适应控制等多个关键性理论问题，提出动力学层次上的精确系统建模和高精度控制方法。最后，利用实际的绳索驱动并联机器人平台来验证理论研究的优越性，并建立一套高速高精度动力学控制方案。本项研究工作将推动绳索驱动并联机器人这一前沿课题的理论研究，拓展并联机器人在大空间高速运动控制领域的应用，为我国新型机器人的研制和高端装备制造业的发展提供重要的理论和技术支持。

绳索驱动能够克服连杆式并联机器人机械结构复杂和工作空间有限的缺陷，使并联机器人成为低成本、大空间、高速度的运动平台。然而，运动过程中绳索必须保持张紧的单向力特性，使绳索驱动并联机器人的运动控制区别于连杆式并联机器人，相应的理论研究和实际应用具有巨大的挑战性。本项目从绳索的单向力特性这一根本问题入手，运用动力学建模、系统辨识、最优化、非线性控制等先进理论，深入研究了并联机器人的拉力分布、最优系统建模与动力学控制等问题，搭建了六自由度的绳索驱动并联机器人平台，实现了高速高精度的动力学控制方案。主要研究内容和代表性成果包括以下五个方面：（1）从绳索驱动的单向力特性出发，研究了力可行工作空间，并以此为性能指标提出了最优的机构设计方法，并且提出了实时的拉力分布算法，其计算效率是现有算法的10倍；（2）通过悬链线模型和有限元方法分析了绳索的柔性和变质量特性，建立了绳索驱动并联机器人完整的理论动力学模型，在此基础上提出了一种动力学加速度反馈控制方案，解决了大空间的高速运动控制问题；（3）提出了一种融合运动学标定和动力学辨识的最优模型辨识方法，进一步针对未建模动态和轨迹扰动，提出了一种鲁棒非线性控制器，其控制精度比传统的增广PD控制提高了40%以上；（4）提出了一种S型-梯形组合速度曲线来规划超出机构静态平衡工作空间的轨迹，进一步提出了非线性自适应控制方案；（5）搭建了8-6结构的绳索驱动并联机器人平台，用于验证所提理论算法的优越性。.本项目的研究成果已发表标注基金资助的论文20篇，包括SCI收录论文11篇，EI收录论文16篇，其中发表在IEEE-TRO，IEEE-TCST,IEEE-TASE, MECHMT等国际权威期刊上的论文10篇；获得国家发明专利授权2项。上述研究成果为绳索驱动并联机器人的工业应用提供了重要的理论基础和关键的技术手段，给并联机器人这一传统研究领域带来了新活力。