复合材料自动铺放冗余机器人操作性能研究

复合材料纤维自动铺放成形制造是近年来发展起来的一种采用冗余机器人装置进行低成本、精确的复合材料自动化制造技术。自动铺放冗余机器人系统是一个高度非线性、强耦合、较大惯量的动力系统，其操作性能是直接影响复合材料铺放成形工艺与构件质量的关键。本课题针对这一问题，探寻自动铺放冗余机器人运动学有效逆解的求解方法，建立其运动学性能指标模型和基于自运动的优化控制方法；揭示冗余铺放机器人大惯量时滞特征规律，建立高速大惯量系统多轴协调控制与加减速控制模型，及多轴联动插补算法；探寻铺放头压辊非完整接触的动力学约束规律，建立基于任务约束、几何约束、接触约束及动力学约束的可操作度模型，提出铺放机器人操作灵活性分析方法与控制策略。为复合材料构件自动铺放制造奠定理论基础。为国家急需的重大装备用复合材料构件制造关键技术提供理论支撑，推动复合材料自动铺放技术发展及其在大型飞机、载人航天与风力发电等重大工程中的应用。

复合材料纤维自动铺放成形制造是近年来发展起来的一种采用冗余机器人装置进行精确的复合材料自动化制造技术。自动铺放冗余机器人系统是一个高度非线性、强耦合、较大惯量的动力系统，其操作性能是直接影响复合材料铺放成形工艺与构件质量的关键。本课题具体研究成果如下：.（1）提出了一种分析自动铺丝冗余自由度机器人运动学逆解的自运动流形方法。根据关节空间流形和工作空间流形之间的映射关系，分析了冗余自由度机器人的自运动流形，得到了七自由度自动铺丝机器人的自运动流形。针对七自由度铺丝机械手空间运动灵活性相对不足问题，又构建了一种新型八自由度铺丝机械手，分析了其运动学逆解流形，得出了其位置工作空间流形和姿态工作空间流形，并以S形进气道为例进行了机器人工作空间流形验证。.（2）建立了自动铺丝冗余机器人动力学性能评价指标。根据自动铺丝机器人的运动学方程，提出了基于Jacobian矩阵和Hessian矩阵的自动铺丝机器人动力学性能指标，绘出了动力学性能指标图谱，得到了机器人结构尺寸和动力学性能之间的变化曲线图。结果表明，该方法作为衡量机器人动力学性能指标是可行的。.（3）研究了一种可自动生成铺丝轨迹的经线包络法，根据复合材料铺丝束纤维的宽度、数量等工艺数据，生成与对应参考线呈固定铺放角度的铺丝轨迹，解决了复杂曲面自动铺丝轨迹生成问题。.（4）提出了一种通过辨识系统转动惯量实现速度环自校正控制的方法，解决了自动铺丝冗余机械臂参数变化时伺服性能低的问题。分析了速度环参数和转动惯量的关系，得到了一种简单的控制器自校正规律，实现了系统速度环的自校正控制，可根据机械参数的变化校正控制器，提高了系统伺服性能。.（5）针对复合材料自动铺放成形工艺中传统Coons曲面片的形状难以调整的问题，通过引入两个形状参数，基于双曲多项式函数和三角多项式函数生成了两种新的Coons型曲面片，提出了基于三角函数空间来构造插值曲线与曲面的方法。.（6）共发表学术论文20篇，其中Sci收录2篇，Ei收录6篇。培养博士生5人（在读）、硕士生8人（已毕业6人，2人即将毕业）。.所取得研究成果为复合材料的自动铺丝轨迹插值运算提供了新的思路，其中，七自由度自动铺丝机器人的运动学逆解与自运动流形已成功应用于自研的七自由度复合材料自动铺放装置上，并为冗余机器人的研究提供了理论参考。