冗余驱动并联机器人的协调控制与动力学性能优化研究

本项目以冗余驱动并联机器人为研究对象，从动力学层次上解决并联机器人的协调控制与性能优化问题，研究内容主要包括理论研究和实验研究两部分。在理论研究方面：（1）基于同步控制思想，由驱动关节的跟踪运动来定义并联机器人各支链间的协调运动，在工作空间中设计非线性协调控制器来实现各支链间的动力学协调；（2）在考虑运动学和动力学多种约束条件下，分别对正常运行和驱动器故障时的驱动力矩进行优化；（3）建立运动过程中的运动时间、驱动器能量和系统刚度三个性能指标，进行多目标轨迹优化。实验研究方面，利用实际冗余驱动并联机器人系统来验证理论研究的优越性，并将设计出的控制策略和优化方法应用于实际系统。本项目将非线性控制方法和智能优化方法应用于冗余驱动并联机器人系统的控制中，来实现高速高精度高负载运动控制，为我国高性能制造装备的研制和发展提供重要的理论基础和实现手段。

冗余驱动为改善并联机器人的动力学性能创造了有利条件，但是也给其动力学建模与控制带来了困难，如何实现冗余驱动并联机器人的协调控制，并充分利用冗余驱动这一条件来优化动力学性能，成为一个极具挑战性和应用前景的课题。本项目以冗余驱动并联机器人为研究对象，从动力学层次上解决并联机器人的高精度建模、协调运动控制和性能优化问题，主要研究内容和成果包括以下三个方面：（1）提出了一种工作空间的充分激励轨迹设计方法，并以此为基础设计出最优的动力学辨识算法，建立了并联机器人的精确动力学模型；（2）分别在关节空间和工作空间建立多支链间的同步运动关系，提出了一种协调控制策略，解决了并联机器人高速运动时的高精度控制问题。（3）针对绳索的单向力特性，实现了绳索驱动并联机器人的力封闭工作空间优化，并提出了一种快速求解算法。最后，利用实际冗余驱动并联机器人系统验证了所提理论方法的优越性，并通过对实验结果的分析进一步改进理论设计，将改进后的成熟的建模、控制和优化方法用于实际系统的运动控制。本项目的研究成果建立了面向并联机器人的动力学辨识、协调控制与性能优化的系统性方法，并且这些方法可以应用到相关的机器人运动控制领域，从而解决机器人运动控制中的一些关键理论和技术问题。同时，在国家提出加快发展装备制造业，改造传统工业设备的新形势下，高速高精度高负载并联机器人系统的研究，将会为我国高新技术设备的研制与发展提供重要的理论基础和实现手段。