融合驱动、传动和感知的智能运动单元设计、控制及应用

Improvements in the machine’s accuracy are always the core problem for the researchers and the manufacturers. In our previous research, we have realized that it is difficult to improve the machine’s accuracy just by enhancing the hardware performance. Therefore, we have proposed a novel idea to solve this problem by inserting the smart structure into the machine. We have already successfully applied this idea to improve the kinematic and dynamic accuracies of the parallel kinematic machine, which verifies the effectiveness of this ideal theoretically and technically. Now we want to popularize this idea in the design and development of the high-performance machines to their performances by enhancing the ability of perception and control. According to this goal, this project studies the design of the smart motion unit with the integration of actuation, transmission and perception to solve the deficiency of the present research. In the guarantee of high accuracy and fast response, we should further reduce the structure complexity and manufacturing cost of the smart motion unit and also increase its ability of perception and control. Moreover, we will study the accurate perception and timely control of the smart motion unit. Finally, the smart motion unit will be utilized in improving the contouring accuracy of the parallel kinematic machine when it moves with large velocity and acceleration.

如何提高机器的精度性能一直是国内外研究人员和制造厂商所关注的核心问题。申请人在前期的研究工作中，深刻意识到完全通过提升硬件水平突破机器精度性能存在一定的困难和瓶颈，为此创新性地提出了结构智能化的设计思想寻求该问题的解决途径，并成功应用于并联机器的静动态精度保证中，从理论和技术上验证了该思想的有效性。申请人期望以点带面，将该思想推广应用至高性能机器的设计开发中，通过增强机器的感知及调控能力，有效提升机器的整体性能。据此目标，本项目针对现有智能结构支链设计方案的不足，提出融合驱动、传动和感知于一体的智能运动单元集成化设计方法，在保证智能运动单元已有的高精度、快响应特性的前提下，进一步降低单元的结构复杂度和制造成本，以及增强单元的状态感知及调控能力，并深入研究智能运动单元状态精确感知和实时控制技术，以及在并联机器高动态运行轨迹轮廓精度保证中应用。

如何有效提升机器的精度性能一直是国内外研究人员和制造厂商所关注的核心问题，目前工业界中普遍采取的方式是提升机器整体和零部件的硬件水平，包括材料、加工制造、装配调试、驱动/控制系统、测量技术等。虽然这种方式可以在很大程度上提升机器的精度性能，但却极大地增加了机器的制造成本，不便于推广应用；更为重要的是，仅仅依靠提升机器硬件水平的手段，在不久的将来会遇到发展瓶颈，制约高性能机器的发展。. 本项目针对高精度机器发展的瓶颈问题，创新性地提出了结构智能化设计思想提升机器的精度性能，旨在推动结构智能化设计思想在高性能机器中的应用。为了实现该研究目标，提出了融合驱动、传动和感知的智能运动单元集成化设计方法，开发具有结构形式紧凑、制造成本低、状态信息感知及调控能力强的智能结构；研究了智能结构单元的性能分析方法，建立完整的驱动力学模型，并构建出基于模型的前馈补偿及闭环反馈控制策略，保证智能结构单元在高动态运动时仍具有优异的状态调控性能；最后将所研发的智能运动单元应用于并联机器的支链设计中，重点研究融合智能结构支链的并联机器动态运行时的轨迹轮廓精度保证技术，以及超低速运行时的平稳性保持技术。. 通过该项目的研究，提出了基于柔性铰链机构、压电陶瓷致动器的智能结构单元设计方案，并形成了一套系统性的性能分析、优化和高精运动控制方法；同时提出融合智能结构单元的并联机器设计方案，并形成一套基于智能结构的并联机器静动态精度保证技术，从理论和技术上验证了结构智能化思想的有效性。后续期望将智能结构单元推广应用至高性能机器的设计开发中，通过增强机器的感知及调控能力，有效提升机器的整体性能。本项目的研究成果不仅是对现有研究工作的重要补充和衍生，更为结构智能化设计思想在高性能机器中的实用化推广提供理论基础及技术保障。