基于混合驱动的柔索并联机器人系统关键技术基础研究

本项目把混合驱动机构引入到柔索并联机器人系统，研究整体系统动力学问题；在考虑末端执行器运动过程中惯性力影响与柔索质量的情况下，进行混合驱动柔索并联机器人轨迹规划、索长、索作用力等参数的数值解算；采用分散控制策略实现混合驱动柔索并联机器人系统的高精度轨迹跟踪控制，在柔索子系统空间研究强鲁棒性控制算法；提出一种简单易行、且反映出复杂有限元模型动力特性的低维动力学模型的方法，建立混合驱动柔索并联机器人系统结构与控制的统一模型，实现系统集成优化全过程数值仿真；对现有的3自由度柔索并联起重机器人进行改造，构建一台米级混合驱动柔索并联起重机器人实验样机且在其上进行系统关键技术基础实验研究。研究成果可为混合驱动柔索并联机器人系统的综合性能提升、设计、开发和在工程中的应用奠定理论基础和实验基础，同时也为此类多自由度并联机器人的动态特性、优化设计和控制等研究提供借鉴。

本项目设计了一种兼容混合驱动机构与柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出特点的混合驱动柔索并联机器人，并开展了该混合驱动柔索并联机器人的机构设计、动态性能分析、轨迹跟踪控制和优化设计问题的研究。完成的主要工作和取得的研究结论如下：. 1、 为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出，设计了一种混合驱动柔索并联机器人机构，给出了机构虚拟样机模型，该机构通过混合驱动平面五连杆机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿-欧拉方法，建立了混合驱动柔索并联机器人系统的动力学模型，并结合实例进行了动态性能分析。. 2、 基于矢量闭环法和几何方法对混合驱动柔索并联机器人机构的逆运动学进行分析，获得机构的雅克比矩阵，并通过机构的约束条件获得其工作空间，在此基础上利用解析法编程，采用区域内逐点搜索法，对机构工作空间内所存在的奇异位形分布进行求解分析。 . 3、 通过对混合驱动柔索并联机器人动态复杂系统的非线性和受到外界干扰等特性分析，探讨了该类控制系统的控制特点和适用的控制策略，并设计了闭环PD型迭代学习控制策略。为了验证迭代学习控制算法的优良控制性能，在相同给定条件和扰动下，把闭环PD型迭代学习控制策略与常规PID控制算法进行控制性能比较分析研究。. 4、基于Lagrange方程，推导出混合驱动柔索并联机器人的动力学模型，并考虑其结构系统和控制系统的密切耦合关系，讨论优化过程中涉及的设计变量、约束方程表达式和目标函数，建立了机器人系统的集成优化模型。结合实例，对混合驱动柔索并联机器人系统进行分离优化设计和集成优化设计的数值仿真比较研究，结果表明，集成优化设计能够获得较好的动态性能。. 上述研究成果可为混合驱动柔索并联机器人系统的综合性能提升、设计、开发和在工程中的应用奠定基础，同时也为此类多自由度并联机器人的动态特性、优化设计和控制等研究提供借鉴。