气驱动连续机器人动力学与时滞主动控制

This project aims to investigate the dynamic modeling, analysis and control of pneumatically-driven continuum robots. The dynamic model for the pneumatic muscle actuators will be established considering the hysteresis and time-delay effects. To identify the hysteresis model parameters and time delay parameter, an optimization model will be established. Using the framework of the flexible multibody dynamics, the rigid-flexible coupling model will be proposed for the pneumatically-driven continuum robot. Based on this dynamic model, the dynamic analysis and the stability analysis of the robot system under different driving parameters and loads will be performed. The degrees-of-freedom of the rigid-flexible coupling dynamic model will be reduced. The configuration of PVDF thin-film sensors will be optimized. Time-delay control methods will be proposed to implement the shape tracking and residual vibration suppression of the robot. To reveal the dynamic mechanism and implement the high performance control of the pneumatically-driven continuum robot, the research of this project has important theoretical value and application potential.

本项目研究基于气驱动器的连续机器人动力学建模、分析与控制。建立综合考虑驱动器迟滞和时滞效应的动力学模型，建立优化模型辨识迟滞模型参数和时滞参数；建立气动连续机器人系统的刚柔耦合动力学模型，分析该系统的动态响应，以及不同驱动参数和外载荷作用下机器人的稳定性；提出刚柔耦合动力学模型的自由度缩减方法，最优配置PVDF薄膜传感器的位置；提出基于时滞的控制方法，实现气动机器人的形状跟踪和残余振动抑制。本项目的研究对于揭示气动连续机器人的动力学本质、实现气动机器人的高性能控制、研制新型气动连续机器人具有重要的理论与应用价值。

气驱动连续机器人逐渐应用于抓取、操作、加工等领域，但气驱动机器人所固有的迟滞、时滞等属性影响了其工作性能的提升。本项目围绕气驱动连续机器人动力学核心问题，开展了驱动器动力学建模、连续机器人运动学和机器人末端执行器设计与控制等工作。具体成果包括：在含迟滞环节的驱动器建模方面，提出了基于高斯混合模型的气动人工肌肉力学建模方法，建立了基于高斯过程描述气缸驱动执行器迟滞非线性模型；在机器人运动学方面，提出了非均匀连续体机器人运动学建模及柔性参数辨识方法，提出了时滞视觉伺服系统稳定性分析及比例-积分控制参数设计方法；搭建了面向磨抛的机器人气驱动末端执行器，基于本项目所提出的气动人工肌肉位置控制和力控制方法，实现了气驱动末端执行器在磨抛过程力/位控制。项目研究结果共计发表和录用期刊论文4篇（包括SCI源刊论文3篇），申请发明专利4项（其中已授权1项）。项目实施期间，培养博士生1名、硕士生3名。