基于频域误差补偿策略的微操作机器人快速精密控制研究

Aiming at the high efficiency of micromanipulation robot of micro assembly system, it's difficult for the traditional control strategy and algorithm to balance the contradiction among manipulation precision, response speed, and system robustness. Therefore, to solve this scientific problem, we propose an error compensation algorithm and a dynamical optimization configuration strategy of multi-controller weights in frequency domain. First，this subject studies the influence mechanism of control precision with four factors, namely, the micro disturbance of external environment, the hysteresis/creep characteristics of micro actuators, the nonlinearity of flexible hinge and the uncertainty of model parameters. Second, this project adopts Energy-Frequency model to describe random/system error of micro-manipulating robot system, then the error model is established. Third, this project proposes a dynamical optimization configuration of weights function, which coordinates with multi-controller control strategy based on error compensation in frequency domain. Therefore an experimental platform with high precision and rapid response for multi-DOF parallel micro-manipulating robot system will be developed based on the theory researches above. The research has theoretical and practical significance for realizing the micro assembly and manipulations with high precision and rapid response, which can also be promoted into applications in the field of bio-medical.

针对面向微装配的微操作机器人高效作业的需求，现有误差补偿与控制策略不能协调控制精度、操作速度和系统鲁棒性之间的矛盾。鉴于此，本项目提出一种基于频域决策的误差补偿方法和多控制器权重动态优化配置策略，围绕多自由度并联微操作机构解耦与快速精密微操作过程控制这一科学问题，研究环境扰动、微致动器的迟滞/蠕变特性、柔性铰链机构非线性与系统模型参数不确性等因素对控制精度的影响机制；研究表征微操作过程控制中的随机误差/系统误差能量归一化频域模型的描述方法，建立过程控制误差模型；研究基于频域误差补偿方法、多自由度耦合系统的控制权重函数动态优化配置决策，在保障系统鲁棒性的前提下，实现快速精密的微操作过程控制。在以上理论研究基础上，搭建面向微操作机器人系统误差分析与快速精密控制研究的实验平台。 本项目的研究为高效微装配与微操作过程控制提供基础理论和关键技术支撑，并可推广应用于生物医疗等领域的快速精密控制。

随着纳米技术与科学的快速发展，科学研究领域已经从宏观尺度拓宽到微尺度范围，因此微操作机器人成为了探索微观世界的重要工具。针对其快速精密运动的作业需求，现有控制策略无法实现控制精度、操作速度和系统鲁棒性之间的平衡。鉴于此，本项目围绕多自由度并联微操作机构的解耦与轮廓跟踪、快速高精度运动以及多任务柔性跟踪的研究要点，进行了相关深入探索与实验验证。. 主要研究内容与结果有以下三方面：1）为解决微操作机构多自由间的寄生耦合运动问题，研究了并联微动平台的解耦控制，并结合数据驱动的理论，消除了运动方向间的耦合误差；同时，为了实现高精度的多维跟踪，提出基于位置域的迭代学习控制，通过提高各方向间运动同步性，降低了轮廓误差。2）以高速高精度运动为目标，针对微动平台轻阻尼特性导致的振动和环境引起的非重复性干扰问题，分别研究了基于混合模型-数据设计方法的双谐振控制器及融合迭代学习控制和干扰观测器的干扰抑制控制策略，实现了干扰环境下的高速精密运动。3）考虑到不同操作任务间的切换导致的跟踪性能或定位精度的降低，着重探索了多任务柔性跟踪控制策略，在经典迭代学习控制理论基础上，充分利用数据及误差的小波分析，在保证系统鲁棒性的条件下，完成对不同参考轨迹的高精度跟踪运动。. 本项目的研究内容是微操作机器人的应用理论基础，所取得的成果可有效提高其多自由度的操作速度与精度，通过融合数据驱动理论消除模型不确定性，对提高微操作机器人的装配效率和准确率具有理论与实际意义。