基于旋量键合图的多能域并联机器人系统动力学模型及控制研究

Study on dynamic model of mechanical system has been a hot research at home and abroad. Most dynamics modeling methods based on traditional analytic mechanical principle stay in modeling and simulation stage, and limit to local dynamics modeling of single form of energy robot system, it’s difficult to obtain the equation of state space suitable for modern control theory. To solve the above problem, aimed at high speed and high precision control requirements of parallel robot, this project plans to carry out research on dynamics modeling, parameter identification and dynamic control of multi energy domain parallel robot system based on screw-bond graph theory obtained by combining the screw theory with the bond graph. The research focus is: further studying screw-bond graph modeling basic theory as the goal to innovate multi energy domain dynamics modeling method of robot system; Solving the dynamics modeling and model parameters identification problem of multi energy domain parallel robot system composed of three kinds of energy namely machine, electricity, liquid as the breakthrough point to combine screw theory and the power bond graphs; Developing prototype of multi energy domain parallel robot composed of three kinds of energy namely machine, electricity, liquid as the optimization goal to obtain big orientation workspace; Studying on electro-hydraulic servo dynamic control strategy as the goal to realize the high speed and high precision control application. On this basis, the experimental study on test of the prototype is carried out, Which lay a foundation for practical application.

机械系统动力学模型研究一直是国内外研究的热点。传统以分析力学原理为基础的动力学建模方法，大部分还是停留在建模、仿真阶段，且限于单一能量形式机器人系统的局部动力学建模，不容易得到适合于现代控制理论的状态方程。为解决上述问题，本项目针对并联机器人高速高精度控制需求，基于螺旋理论与键合图结合的旋量键合图理论，拟开展多能域并联机器人系统的动力学建模、参数辨识及动力学控制研究。研究重点是：以创新机器人系统多能域动力学建模方法为目标，深入研究旋量键合图建模基础理论；以机构螺旋理论与功率键合图结合为切入点，重点解决机、电、液多能域耦合并联机器人系统动力学建模和模型参数辨识问题；以大姿态工作空间为优化目标，研制机、电、液多能域耦合并联机器人样机；以实现高速高精度控制应用为目标，研究电液伺服动力学控制策略。在此基础上开展样机的测试实验研究，为实际应用奠定基础。

电液驱动3-UPS/S并联稳定平台，结合隔离舰船扰动、保障舰船载设备及人员安全的需要，在实际工程领域具有广阔的应用前景。旋量键合图建模基础理论研究，对空间并联机构基本组成单元——构件和运动副，利用旋量键合图，构建动力学模型，并进行模块化处理，将旋量键合图和传统键合图结合，对稳定平台系统建立了机、电、液多能域耦合全局动力学键合图模型；建立了稳定平台几何误差与变形误差的传递模型，并通过线性叠加得到了总的误差传递模型，基于几何误差传递模型，建立了稳定平台满载工况下的运动学标定模型，在满载工况下进行了运动学标定实验；以基于实验的动力学参数辨识方法，辨识出全局动力学模型中平台惯性参数和驱动关节液压缸摩擦参数；以舰船稳定平台的单通道液压驱动单元为研究对象，采用机理建模和参数辨识相结合的方法得到了控制对象的数学模型，在模型的基础上完成了基于速度前馈结构内模复合控制器的设计，并对提出的控制方法进行了仿真和实验研究；基于稳定平台系统全局键合图模型，利用20-sim软件建立了稳定平台系统的全局仿真模型，通过仿真对比，证明了双闭环+速度前馈控制策略具有较高的控制精度，满足稳定平台跟踪控制的要求；研制电液驱动3-UPS/S并联稳定平台样机一台；完成并联稳定平台实验系统的搭建，证明了平台姿态空间满足±25°，在最大角速度10°/秒、最大角加速度20°/平方秒下，稳定跟踪精度<1°的设计要求。基于无线通信技术，模拟两种海况（常规、恶劣），对平台进行了实时稳定跟踪性能的测试，测试结果表明：在常规海况时稳定平台具有较高的跟踪精度，具备隔离舰船扰动的能力。为该类机构最终推向实际应用奠定基础。