高速并联机器人柔性机电系统建模理论与控制策略研究

The parallel manipulator takes the advantages of high rigidity, high precision, and high bearing structures and be applied to many fields. When it operates at a high speeds, the flexibility issue should be considered if it must meet the high precise control. The parallel robot, as a controlled robot, is a nonlinear, multiple input/output, close coupling and unstable complex system. Therefore, the research of modeling and control methods of the flexible mechatronical system is one of the challenge topics in the parallel robot fields. Considering the fact that the parallel robot control is much more complicated, the normal PID control can not meet the requirements; therefore, the new control methods keep on developing and, especially the control methods of the parallel robot has gained rapid development. But in real system, considering the uncertain of the dynamical system, along with the friction, elastically shaping, and other side effects interfering, it can not meet the high precise control requirements with the conventional intelligent control methods. Therefore, a control method combining with considering coupling and uncertain circumstances, self-adaptive and robust stability, easily-achieved high precise control methodology is needed and has very important and realistic meaning.

并联机器人具有高刚性、高精度、高承重比等诸多优点而得到广泛应用，并联机器人在高速操作时，实现高精度控制必须考虑到机器人的柔性问题。并联机器人作为被控对象，是一个非线性、多输入多输出、强耦合且具有系统不确定性的复杂系统，因此，柔性机电系统建模及其控制策略研究是并联机器人领域中最具挑战性的课题之一。由于并联机器人的控制较为复杂，常规PID 控制效果很不理想，随着控制理论的发展，新的控制方法不断涌现，并联机器人的控制方法也得到了迅速发展。但在实际系统中，考虑到动力学模型的不确定性、摩擦、弹性变形以及其它干扰因素的存在，单纯依靠某种智能控制方法很难满足并联机器人较高的控制精度。因此，寻求一种既能考虑耦联特性和不确定性，又具有自适应和鲁棒稳定性、且易于实现的高精度控制方法就具有重要的现实意义。

并联机器人的高刚性、高精度等优点使其广泛地应用于各种产品的制造与加工领域。为了提高生产效率和降低能源消耗，柔性轻质构件不断被引入到并联运动机构中，此时要实现并联机器人的高精度控制，在系统建模和求解过程中不但要考虑并联机构本身的非线性、强耦合等特性，还必须考虑柔性构件在运动过程中所产生的大范围非线性弹性变形问题。因此，柔性机电系统建模及其控制策略研究是并联机器人领域中最具挑战性的课题之一。目前，构建柔性机器人动力学模型时主要采用运动弹性动力学法、浮动坐标系法来描述柔性杆的小变形，由于它们不能准确地描述非线性大变形柔性系统的动力学特性，所以在构建控制策略时很难获得令人满意的控制效果；同时需要构建合理的数值求解方法来解决耦合方程之间的相容性问题以及求解效率问题，从而为控制策略的建立与实现奠定良好的理论基础。.本项目以一种含有柔性杆件的3-RRRU空间并联机器人作为研究对象，首先，针对刚性3-RRRU并联机器人，在考虑所有关节摩擦力矩的情况下构建了该系统完整的动力学模型，分析了关节摩擦效应对刚性机构驱动力矩与轨迹精度的影响，提出了一种新型的近似时间最优的平滑轨迹规划方法，并通过理论和实验论证了规划方法的可行性和有效性。其次，利用自然坐标法和绝对节点坐标法构建了刚柔混合3-RRRU并联机器人的非线性动力学模型，给出了计算弹性力及其雅克比矩阵的新方法来提高求解的计算效率,同时提出了一种瞬态刚体校正法来解决系统方程之间的相容性问题，并对求解策略进行了详细的分析。最后，基于圆周运动轨迹，通过求解柔性系统的非线性动力学模型来分析柔性杆件对系统轨迹精度与驱动力矩的影响，然后根据所求出的逆动力学解来构建柔性机电系统的非线性控制策略，同时在设计控制器非线性补偿算法时考虑摩擦等因素的影响，并通过动态轨迹跟踪实验和应变实验验证了控制策略的可行性。本项目研究成果对构建和精确求解柔性并联机器人动力学模型及其控制策略具有重要的理论与现实意义。