多重柔性下轮式悬架移动机械手动力学建模与精确作业控制方法研究

本申请项目结合我国石油化工企业化学危险品储罐巡检的特殊需求，在综合考虑由轮式悬架移动平台构成的弹性阻尼柔性系统和多自由度机械手柔性系统及其动力学耦合的基础上，研究轮式悬架移动柔性机械手系统独立坐标变量和关联坐标变量的评定和提取方法，分析柔性机械手各构件弹性变量的轮式悬架移动载体的驱动力内涵及其表示方法，建立运动学和动力学正逆模型，以准确的描述轮式悬架移动柔性机械手物理模型；在此基础上，探索减小作业误差的方法，分析轮式悬架移动柔性机械手运动学和动力学的耦合特性，建立系统的累计误差模型；揭示作业目标信息和轮式悬架移动柔性机械手之间的误差传播机制，建立误差传播模型，进而提出并建立用于轮式悬架移动柔性机械手动态准确作业的误差反馈控制方法，本项目的研究成果对非结构（或半结构）环境下轮式悬架移动柔性机械手对石油化工企业危险化学品储罐的准确作业具有重要的理论意义和使用价值。

本研究结合了我国石油化工企业化学危险品储罐巡检的特殊需求，分别分析了轮式悬架移动柔性机械手系统的平台部分和机械手部分的静态误差与动态误差，综合以上两种误差建立了平台和机械手部分的误差模型，又进一步综合两者的误差模型得到了轮式悬架移动柔性机械手系统的累计误差模型；在综合考虑由轮式悬架移动平台构成的弹性阻尼柔性系统和多自由度机械手柔性系统及其运动学动力学耦合的基础上，通过轮式悬架移动柔性机械手系统的完整约束及非完整约束方程，在方程中选择由驱动力控制的变量组成独立坐标变量。而关联坐标变量能够由独立坐标变量表示，通过同样的约束方程提取，这是独立坐标变量和关联坐标变量的评定和提取方法；基于独立坐标变量和D-H法则建立了轮式悬架移动机械手系统的运动学模型；在刚性条件下，已知末端机械手位移，基于独立坐标变量和几何关系获得了柔性机械手系统的逆运动学模型；分析轮式悬架移动载体各构件弹性变量主要分析的是机械手部分的横向变形，机械手杆件被简化为欧拉-伯努力梁（不考虑构件剪切变形），采用了经典Rayleigh-Ritz近似法引入杆件的形函数描述该变形，通过拉格朗日方程依次获得了系统的惯性张量、刚度矩阵和系统广义力，基于独立坐标变量完成了对轮式悬架移动柔性机械手系统各构件的受力分析，通过牛顿-欧拉法得到了系统驱动力。基于以上工作，通过拉格朗日方程，建立了轮式悬架移动柔性机械手系统动力学正模型；已知机械手系统的末端运动轨迹，省略动力学方程中数值较小的项，综合运用柔性机械手在刚性条件下的逆运动学方程、柔性机械手驱动力矩的近似值及柔性机械手的动力学方程，反复迭代求解得到了所要求的驱动力矩，建立了柔性机械手系统的逆动力学模型；轮式悬架移动柔性机械手系统的控制模型为最常用且准确性和可靠性较高，精度也较为理想的模糊PID控制。基于已建立的轮式悬架移动柔性机械手系统动力学模型，按照模糊集的方法，采用三角形隶属度函数，应用Mankani的if……then……语句实现了模糊PID控制，控制中的误差e即来自之前建立的轮式悬架移动柔性机械手误差模型，模糊PID控制方法经过仿真验证可以确定为适用于轮式悬架移动柔性机械手动态准确作业的误差反馈控制方法。以上研究成果对非结构（或半结构）环境下轮式悬架移动柔性机械手对石油化工企业危险化学品储罐的准确作业具有重要的理论意义和使用价值。