可控局部自由度柔性机器人的动力学与稳定性研究

以开链柔性机器人的动态性能问题为研究对象，从机器人的内部特性和外部手段两方面入手，综合提高机器人的整体性能。一方面，从机器人机构的研究角度出发，借鉴动物调节运动性能的生理结构特征和方式，在柔性机器人的结构型式上有所创新，开展可控局部自由度柔性机器人的探索性研究，旨在从改善机器人内在动力学品质的角度发掘可控局部自由度对机器人动态精度的调节能力，建立基于可控局部自由度的柔性机器人动态性能优化方法和策略。另一方面，从控制的角度出发，将可控局部自由度柔性机器人视为动力学/控制耦合系统，结合运动稳定性理论，研究形成Rayleigh阻尼和陀螺力的方法，推导系统稳定性的充要条件，提出基于可控局部自由度的运动控制稳定性的实现方法。在此基础上，开展可控局部自由度柔性机器人的多学科设计优化研究。研究成果将为提高柔性机器人的动态性能提供新的思路和手段，对于改善柔性机器人的整体工作性能具有良好的应用价值。

在国家自然科学基金资助下，从内部特性和外部手段两方面入手，开展基于可控局部自由度的柔性机器人动态性能控制研究，探讨提高柔性机器人工作性能的新方法。主要成果包括：从自然界中寻求灵感，借鉴动物调节自身运动性能的生理结构特征和方式，提出可控局部自由度的概念以及具有可控局部自由度的柔性机器人型式，为柔性机器人的振动控制问题提供新的思路和解决途径。基于Kane方法和模态理论，提出了一种同时考虑臂杆柔性与关节柔性的开链柔性机器人动力学建模方法，具有叠加性、递推性、通用性等特点。利用该方法，构建了可控局部自由度柔性机器人的理论研究模型。在关节空间中，将主链的自由度与支杆的可控局部自由度分解为两个子空间。通过对雅可比矩阵进行分解，证实了可控局部自由度运动与末端执行器名义运动的可分离性，为基于可控局部自由度的动态性能优化奠定了基础。从定性与定量两方面，研究了可控局部自由度的运动参数和结构参数对柔性机器人动态性能的影响规律。在此基础上，开展了利用可控局部自由度实现柔性机器人振动控制、改善动态性能的研究。对于柔性机器人因各种工作运动而引起的振动问题，提出了面向一般运动、周期运动的基于可控局部自由度的振动控制方法。针对柔性机器人执行捕捉、装配等工作时不可避免会与操作对象发生碰撞等问题，提出了基于可控局部自由度消减柔性机器人冲击振动的方法。对于低基频大柔性机器人所产生的大振幅、强能量的非线性振动问题，从非线性动力学角度出发，提出一种基于内共振的强振动能量迁移与吸收方法并且给出了系统稳定性的充要条件。该方法融合被动控制与主动控制的优点,具有能耗低、稳定性好、易于实现等优点，特别适合大幅非线性振动的控制。基于粒子群算法，提出了一种面向振动控制的可控局部自由度参数优化方法。该方法能够以最小代价实现基于可控局部自由度的最优振动控制效果，从而使可控局部自由度振动控制方法更加完善可行。研制了可控局部自由度柔性机器人实验系统，开展了系统深入地试验研究，验证了理论研究的正确性。到目前为止，本项目按照计划全部完成了预定研究内容，在国内外核心期刊和国际会议上发表了多篇学术论文，申请并授权了多项国家发明专利。研究成果将为提高柔性机器人的动态性能提供新的思路和手段，对于改善柔性机器人的整体工作性能具有良好的应用价值。