基于冗余结构的自适应容错并联机器人设计理论研究

For the safety and reliability of redundant parallel robot equipment during high speed movement, and the fault tolerant performance of self-correcting and recovering movement after failure, an optimal design theory of self-adaptive fault tolerant parallel robot based on redundant structures will be studied. This project will investigate the analyzing expression of output characteristics and the degrees of freedom of the whole redundant parallel robot, and obtain the condition of Self-adaptive motion coordinating. Based on the inner relationship among mechanical parameters affecting performance, the design theory and method of self-adaptive fault tolerant parallel robot based on redundant structures will be proposed. From the mechanical view of reducing vibration, the dynamic model form on a planned path will be yield after analyzing the reconfigurable configuration of parallel robots with redundant strucutres. This project will further analyze the dynamic fault-tolerant configuration, obtain the fault-tolerant workspace, and establish the fault-tolerant rules of self-correcting and recovering movement after failure. The outcomes of this project can be used to settle the theoretical foudation for developing parallel robot equipment with redundant structures.

本项目针对冗余并联机器人装备在高速运行时的安全性和可靠性，以及发生故障后机器人装备自我修正和恢复运动的容错性能等问题，研究基于结构冗余的自适应容错并联机器人系统优化设计理论。本项目将研究冗余并联机器人输出特性与机构整体自由度的解析表达，得到机构自适应运动协调的条件。建立影响机构性能的各个参数之间的内在联系，提出基于冗余结构的自适应容错并联机器人设计理论和方法。分析结构冗余并联机器人的动态可重构构型，从机械本体设计的角度研究减轻机器人运行过程中机械振动的规律，得到机器人在规划路径上的动态模态形式。研究结构冗余并联机器人动态容错构型，分析末端操作器实现期望工作指标的容错可达工作空间，建立故障发生后机构自我修正和恢复运动的容错规律。为研制开发结构冗余并联机器人装备奠定良好的理论基础。

本项目以提高冗余并联机器人机构的输出性能和容错性能为目标，研究了能够实现自适应运动协调特性的结构冗余并联机器人构型综合理论。项目区分了冗余并联机器人机构的整体自由度和动平台的相对自由度运动，提出了一种新型并联机构相对自由度计算理论，适用于一类支链通过球副与动平台连接的并联机构，特别适用于具有结构冗余特性的并联机构。基于提出的新型相对自由度理论和修正的K-G公式，建立了冗余并联机器人输出特性与机构整体自由度之间的解析表达，得到机构自适应运动协调的条件。进而提出了一种结构冗余并联机器人机构的构型综合方法，得到了系列新型结构冗余并联机构。项目研究了冗余并联机构与非冗余并联机构的性能区别，指出部分冗余并联机构具有可重构的运动特性，部分冗余并联机构能够克服非冗余并联机构的非期望运动输出，具有更优的驱动力矩分布。项目提出了利用调整冗余结构动态规避机构奇异的方法。这种奇异性规避方法，无需停机切换驱动模式、或通过中途停机调整支链位置来进行奇异性规避、或依靠复杂的电路控制和复杂的路径规划来实现奇异规避。通过结构冗余支链的位置调节可以实现动态的奇异空间改善，打通原本被奇异分隔开的可用工作空间，使其具有自我纠错的能力。项目为研制开发结构冗余并联机器人装备奠定良好的理论基础。