基于能量特性的柔性并联精密定位平台抑振控制研究

The major objective of this research is to improve the kinematic and control precision of the precision compliant parallel positioner. The primary content of the subject are the vibration and active vibration control of precision compliant parallel positioner according to the viewpoint of vibrational energy control. Firstly, the kinetic models of the flexible sub-structure and the rigid sub-structure were established respectively according to the structure of positioning platform. And then the overall kinetic model of the platform was obtained under the structure coupling relationship. Secondly, the energy distribution in compliant components is described by the structure mobility method and excitation experiment. Then the strain nephogram energy nephogram were depicted combine with structural finite element model. The relationship of energy distribution, structural strain and the rate of structure energy storage change could be derived from the energy distribution model. Finally, the energy minimum was assigned as the optimizing objective in the optimization of sensors/actuators number and location. After the coupling dynamics model of platform was discretized and modified, the unified model of structure and system control was established. The active vibration control of precision compliant parallel positioner was being well-studied using linear quadratic regulator (LQR) optimal control theory based on the kinematic and control characteristics of platform. Research results will offer theoretical support and experimental support to the design, development and application of the mechanisms including compliant components.

本项目以柔性并联精密定位平台为研究对象，以提高定位平台的运动和控制精度为目标，基于振动能量控制的观点，开展精密定位平台振动特性和振动主动控制方法的研究。根据定位平台的结构形式，分别建立柔性子结构和刚体子结构的动力学模型，在明确结构之间耦合关系的基础上，联立获得柔性精密定位平台的整体动力学模型；利用结构导纳理论和激振实验研究柔性杆件中能量的传递特性，结合结构有限元输出应变云图和能量云图，得出应变分布模型和能量分布模型，分析能量分布与结构应变和结构储能变化率之间的关系；以振动能量最小的优化目标，对传感器和作动器的位置和数量进行优化配置，对定位平台的耦合动力学模型进行离散化修正并建立结构与系统控制的统一模型，考虑平台的运动及控制特性，采用LQR最优控制理论对定位平台进行抑振控制研究。研究成果可为含柔性构件的精密系统设计、开发及应用提供理论支持和借鉴。

柔性并联精密定位平台是一种典型的微操作机器人，其分辨率、定位精度和重复定位精度可以达到亚微米至纳米级，在航空航天、生物医学等领域有着广泛的应用。但是由于柔性并联精密定位平台本身的固有振动模态不高，且振动能量主要集中于前几阶模态，因此平台在工作过程中可能出现低阶谐振现象；另外，由于弹性变形的影响，当系统的执行机构运动到指定位置时存在残余振动，使得运动轨迹失真，严重影响运动的可靠性和定位精度，同时对系统的使用寿命造成较大的危害。.本课题首先对柔性并联精密定位平台进行了运动学分析，给出了定位平台的运动学反解、正解模型，推导了最大工作空间和定姿工作空间的表达式，并分析了不同结构参数、不同转角下工作空间的变化规律；通过有限元法、模态实验，分析了定位平台的模态特性及其在特定轨迹下的模态频率特性和振型变化规律；建立了柔性并联精密定位平台系统的非线性刚-柔耦合动力学模型，仿真和实验结果验证了模型的固有频率和振动响应特征曲线。然后，考虑电机电磁参数和机构惯性等因素，研究了机构中基础激励－结构残余振动耦合模型，将扰动激励引入到动力学模型中，建立了柔性精密定位平台系统振动能量分布模型，利用样机模型和实验验证了振动能量分布模型正确性。最后，完成了柔性并联精密定位平台物理实验模型的搭建和运动控制软件的设计，在作动器的位置和数量优化配置的基础上，基于定位平台的耦合动力学模型建立结构与系统控制的统一模型，通过模糊控制和LQR最优控制理论实现了残余振动的主动控制研究。研究成果可为含柔性构件的精密系统设计、开发及应用提供理论支持和借鉴。