可重构机械臂刚柔耦合系统动力学建模及主动振动控制研究

本项目重点关注可重构机器人的刚柔耦合振动控制问题，以带有柔性关节和连杆等模块的可重构机械臂为实验分析对象，开展刚柔耦合可重构系统动力学建模及主动振动控制研究：基于柔性多体动力学和有限元理论，研究机械臂重构后柔性分布与振动模态变化的映射关系，建立刚柔耦合可重构系统的动力学模型；分析柔性构件装配位置及数量变化对控制稳定性和末端定位、跟踪精度的影响，建立高速或大加速度运动时刚柔耦合振动的轨迹误差模型，综合考虑谐波传动误差和杆件弹性变形误差，以及其它不确定因素，研究抑制变拓扑刚柔耦合振动的主动控制方法，提出基于力/加速度反馈的可重构鲁棒控制器设计方法；在已有的可重构机械臂系统样机基础上做必要改进，开展实验研究。从原理上探索提高模块化可重构机器人运动和作业能力的有效途径。

本项目针对刚柔耦合可重构系统变拓扑振动机理与振动控制问题，以带有柔性关节和连杆等模块的可重构机械臂为实验分析对象，开展可重构机械臂刚柔耦合系统动力学建模及主动振动控制研究。.本项目结合理论研究和原型样机研制与实验开展研究工作，已取得的主要研究成果包括：.(1) 针对关节模块内部谐波柔轮的柔性，基于材料力学的理论方法和有限元方法，研究分析了在一定扭矩负载和波发生器的压迫变形下柔轮的应力和应变分布规律。.(2) 基于对谐波传动过程中柔轮应力应变特性的研究，采用贴装应变片的方式完成了谐波减速器嵌入式力矩测量系统设计，并在此基础上研制开发了可重构机械臂关节模块及测试试验平台。.(3) 采用图论的方法研究分析了可重构机械臂构型的拓扑表达方法，并针对模块任意组合的拓扑关系，研究提出了可重构机械臂构型变化的在线自主辨识方法。.(4) 将螺旋理论与基于图论的拓扑分析方法相结合，研究提出了可重构机械臂的运动学自主建模方法。该方法不仅适用于机械臂的主动重构，而且对于因某一模块故障锁死后引起的被动重构问题，也可实现拓扑构型和运动学模型的自动更新。.(5) 针对机械臂在高速重载下的动态变形及由此造成的振动和末端轨迹失准，采用动力学方法分析了引起变形的各项力，提出了一种运动过程中系统动态变形、应力和应变的计算方法。.(6) 考虑施加惯性力后关节谐波柔性和连杆弹性变形，采用有限元方法研究分析了可重构机械臂在不同构型下固有频率和振型等参数的变化规律，建立了重构后系统柔性分布与振动模态变化的映射模型。.(7) 研究分析了可重构机械臂运动学模型的参数误差，建立了包含关节约束条件的运动学参数标定识别模型，并提出了基于拓扑构型装配映射矩阵的可重构机械臂标定模型自动生成算法。.(8) 通过装配映射矩阵对机械臂装配结构信息的描述及组成模块的物理参数，采用李群李代数形式的牛顿-欧拉方程，研究提出了基于模块级参数信息的刚柔耦合可重构机械臂动力学自动建模方法。.(9) 考虑动力学系统的非线性、强耦合及构形变化的非连续等特点，研究建立了刚柔耦合可重构系统的控制体系框架；将关节谐波柔性和连杆弹性变形的二元组合分解为若干子系统，研究了刚柔耦合系统的主动振动控制策略，提出了采用力矩加速度复合反馈的主动振动控制器设计方法。.截止到目前，全部研究内容已按计划完成，已发表学术论文8篇，已录用学术论文3篇。