悬挂型绳索并联机器人的机构优化、动态轨迹规划及协调控制研究

The special cable-suspended form brings potential advantages such as large workspace, high speed and easy modularity to parallel robots, but cable characteristics make the corresponding theoretical research and engineering application very challenging. Therefore, this project starts from the cable characteristics, and studies several key problems such as mechanism design, trajectory planning, and coordination control by using mechanisms, geometry, advanced control and optimization theory. The specific research work includes : 1) The optimum design method of mechanism parameters is proposed based on the wrench-feasible workspace; 2) Cable tension constraints are strictly defined and reachable workspace is analytically calculated both by geometrical method, and then dynamic trajectory planning method is presented; 3) A double-space measurement and computation method of cable length is designed to guarantee real-time and high-accuracy performances, and then a novel adaptive coordination control strategy is established; 4) An experiment platform of cable-suspended parallel robot is constructed to validate the superiority of the related theory research and finally achieve a set of advanced motion control system. This project will resolve several academic difficult problems on mechanism design, trajectory planning and control caused by cables, and then fully explore the potential advantages of cable mechanisms. This work will expand the application of parallel robots in the large workspace field that needs high-speed and high-accuracy performances, and provide theoretical foundation and technical support to the development of high-level robotic equipments.

绳索悬挂的特殊驱动方式给并联机器人带来了大空间、高速度、易于模块化的潜在优势，但绳索的特殊性也给相关的理论研究和工程应用带来了巨大挑战。本项目从绳索的特殊性入手，运用机构学、几何方法、先进控制和最优化理论，深入研究悬挂型绳索并联机器人的机构设计、轨迹规划、协调控制等关键性问题，具体包括：1)基于力可行工作空间，提出最优的机构参数设计方法；2)采用几何方法严格定义拉力约束和解析求解可达工作空间，提出动态轨迹规划方法；3)设计一种兼顾实时性和精度的双空间绳长测算方法，进一步提出一种新颖的自适应协调控制策略；4)搭建悬挂型绳索并联机器人平台，验证理论研究的优越性，最终获得一套高性能的运动控制系统。本项研究有望解决绳索给机构设计、轨迹规划和控制带来的理论难题，发挥悬挂型绳索机构的潜在优势，使得并联机器人的应用扩展到大空间的高速度高精度领域，为我国的高端机器人装备研制提供理论基础和技术支持。

绳索悬挂的机构牵引方式给并联机器人带来了大空间、高速度、易于模块化的潜在优势，但绳索悬挂的复杂动力学特性也给并联机器人的理论研究和实际应用带来了巨大挑战，传统连杆传动并联机器人的设计、规划和控制方法并不能直接用于绳索并联机器人。为此，本项目从绳索悬挂的复杂动力学特性入手，逐一解决了机构参数优化、轨迹动态规划、多绳索协调控制等多个关键性理论问题，提出了动力学层次上的高速度高精度轨迹规划和控制方法，主要研究内容和代表性成果包括以下五个方面：（1）提出了一种满足绳索单向力约束的动态轨迹规划方法，突破了绳索并联机器人的静态工作空间限制，实现了大空间的高速运动和安全避障；（2）建立了稳定工作空间和静态刚度之间的数学关系，利用优化方法提出了给定位姿稳定的充分必要条件，对动平台的构型和尺寸进行了优化；（3）针对绳索并联机器人的多绳索协调运动控制问题，分别提出了绳长空间和工作空间的同步控制策略，可以确保绳索之间的协调一致运动，抑制绳索松弛，大幅提升了绳长空间的跟踪精度和同步精度；（4）为了同时抑制绳索运动过程中的松弛和绳索牵引方式的模型不确定性，提出了一种二阶滑模同步控制器，该控制器综合了二阶滑模与多绳索同步思想，可以改善绳索张力和提高控制性能；（5）深入分析了绳索柔性、驱动装置模型不确定性和未知力矩扰动，提出了一种新颖的自适应鲁棒控制策略，大幅提升了绳索并联机器人的抗干扰能力。.研究成果在国内外权威期刊和会议上发表学术论文23篇，包括SCI收录论文10篇，EI收录论文13篇，其中IEEE TRO论文1篇，IEEE TMECH论文2篇，IEEE TIE论文2篇，IEEE TII论文1篇，IEEE RAL论文1篇，MECHMT论文2篇；获得国家发明专利授权6项；获得国际会议最佳论文奖1项。上述研究成果为大空间机器人的实际应用提供了重要基础理论和关键核心技术，给传统并联机器人领域开辟了新思路。