基于柔顺机构的智能微操作机器人动力学与控制研究

Micromanipulation robot is widely used in the area of accurate micro operation, biomedical and aerospace. The problems to be solved are the nonlinear dynamic behavior of micro-robot system under the microscale effect and multi-field coupling, and strongly nonlinear vibration suppression caused by the random disturbance of environmental parameters. In the project, based on compliant mechanisms and smart structures, the synthesis and parameter optimization design of spactial configuration of micro compliant mechanism are performed by using the topology optimization method and spinor theory, so that multi-degree-of-freedom micro movements and the integrated design of mechanism, actuator and sensor can be achieved. Based on micro flexible multi-body dynamics and constitutive relation of smart materials, the elastic dynamic model of smart micro compliant mechanisms is built, and the motion and force transmission characteristics are analyzed considering the microscale effect and multi-field coupling.We explore the nonlinear vibration characteristics of micro compliant mechanisms excited by uncertain enviroment parameters by using the boundary element method and the convex method of set theory. And the effects of microscale effet on vibration feature are studied. The nonlinear robust control method and nonlinear geometric control methods are applied to solve the vibration suppression problem caused by the external random disturbance. And we explore the influence of strongly random disturbance during micro manipulation of the robot on the stability and robustness of the control system. This study has important theoretical and pratical significance for the application that micromanipulation robot can achieve the complicated and precise micro manipulation.

微操作机器人广泛应用于精确微细操作、生物医学、航空航天等尖端领域。微机器人系统在微尺度效应和多场耦合效应作用下的非线性动力学行为、抑制环境参数等随机扰动引起的强非线性振动是亟待解决的问题。本项目基于柔顺机构和智能结构，采用拓扑优化方法和旋量理论对柔顺机构空间构型进行综合和参数优化设计，实现了多自由度微运动和机构、驱动、传感一体化设计；基于微多柔体动力学理论和智能材料本构关系，建立智能微柔顺机构的弹性动力学模型，研究其在微尺度效应和多场耦合作用下的运动和力传递特性；采用边界元法和集合理论凸方法探究在不确定性环境参数激励下的微机器人系统的非线性振动特性，研究尺度效应对其振动特性的影响；采用非线性鲁棒控制方法和非线性几何控制方法解决抑制外界随机扰动引起的振动问题，探讨其在微操作过程中随机性扰动对控制系统稳定性和鲁棒性的影响。本研究对微操作机器人实现复杂精确的微细操作具有重要的理论和实际意义。

微操作机器人广泛应用于微机电系统、生物医学、航空航天等前沿领域。本项目主要研究微操作机器人的建模、设计和控制。分别采用有限元法、传递矩阵法和实验设计方法对微操作机器人进行建模。提出一种通用的基于有限元法建立反映微操作机器人静态和动态性能的力学模型；提出一种基于传递矩阵法的微操作机器人的振动力学模型建立方法；提出了一种基于实验数据的响应面法建立微操作机器人精确的力学模型。同时，为了提高其操作空间和动态性能，提出了一种基于响应面法的多目标优化设计方法。所提出的建模方法为微操作机器人的设计综合和参数优化提供了精确的力学模型，认清了微操作机器人的运动和力的传递关系。. 基于所建立的力学模型，设计了多种用于微操作的平台。设计了4种新型多自由度微操作平台、3种新型微夹持器、1种微驱动器和微传感器，为微操作机器人设计理论提供了新的思路。提出了一种将应变片集成于微夹持器结构实现其结构-传感一体化设计；提出一种基于响应面法的稳健可靠性设计方法以保证微操作机器人的运动精度。同时，对微操作机器人的温度效应影响和减小热效应的设计方面也进行了研究。. 为了提高微操作机器人的运动精度，对其控制策略进行了研究。提出一种基于Preisach模型与支持向量机的联合建模方法描述微操作机器人迟滞非线性特性；提出一种基于模糊控制策略的微操作机器人的位置精度补偿方法，以摆脱对迟滞模型的依赖；提出一种前馈补偿同反馈调节相结合的复合控制算法解决压电迟滞非线性问题对微操作机器人的影响。提出基于RBF神经网络的单神经元PID控制策略进行其运动跟踪控制，以提高微操作机器人的运动精确性和响应快速性。针对微夹持器在夹持微小物体过程中的粘着问题，提出了一种基于压电振动控制的释放操作方法。发表学术论文24篇，其中EI收录7篇，授权发明专利1项，申请发明专利3项。上述的研究成果对微操作机器人实现复杂精确的微细操作具有重要的理论和实际意义。