刚柔混合冗余驱动广义并联机构变刚度低耦合重构机理研究

Regarding the interaction between a parallel manipulator and its complicated interface effect of environment, it should control accurately. This contact task requires that a parallel manipulator should have better working performance with low coupling characteristics and high accuracy and should have ability to adjust and control its stiffness. The project focuses on hybrid rigid-driven and cable-driven redundant generalized parallel manipulators. They can be constructed by combing rigid-driven and cable-driven. The matching of structure parameters will be made based on a reconfigurable mechanism of cable driven. This method could adjust decoupled center and decrease coupling effect. An evaluation system of coupling stiffness in the global workspace will be proposed. After analyzing stiffness mapping matrix using theory of differential manifolds, equivalent metrics of local, little scale and global workspace will be built. These researches will form a controlling mechanism with low coupling and variable stiffness in the global workspace. The proposed results will improve the working performance with high accuracy in a large scale, which are beneficial for micro-manipulators and motion simulation. What is more, the project will provide theoretical basis and technical support for bionic oscillating propulsion system with high efficiency.

复杂相互作用界面下，并联机构若能较好地适应界面效应，则要求其能够准确地控制与环境的相互作用，这种精确的任务需求要求并联机构具有低耦合、高精度的工作性能，以及刚度调整与控制的能力。项目以刚柔混合冗余驱动广义并联机构为研究对象，融合刚性驱动与柔索驱动的特点，构建冗余驱动的广义并联机构，基于柔索驱动的可重构特性保证复合并联机构的结构参数匹配，实现重构机制下的解耦中心调整、低耦合特性；提出全域刚度耦合评价体系，采用微分流形理论解析刚度映射矩阵，构建局部–邻域–全局的等价及度量，形成适用于全域的低耦合模态空间变刚度机理。课题研究将提升并联机构的大范围高精度控制性能，突破微动应用领域，改善运动模拟等应用的综合性能，并为仿生摆动推进装置的高能效推进提供理论基础与技术支撑。

复杂相互作用界面下，所接触界面的非均质、非连续的物性参数变化给系统带来非线性、强耦合特性，给并联机构位置跟踪、力控制带来挑战。并联机构刚度对于其动态特性具有重要影响，因此对于高精度、低耦合的应用，设计具有刚度解耦性能的并联机构具有重要意义。并联机构的解耦中心若能适应执行末端运动，将能够保证并联机构全域具有较好的低耦合特性。项目以刚柔混合冗余驱动广义并联机构为研究对象，融合刚性驱动与柔索驱动的特点，构建冗余驱动的广义并联机构。基于柔索驱动的可重构特性保证复合并联机构的结构参数匹配，实现重构机制下的解耦中心调整、低耦合特性；提出了等耦合线、等耦合体的全域刚度耦合评价体系，进一步对广义并联机构进行全域耦合数值评价，论证可重构机理在设计全域低耦合广义并联机构的有效性，并形成适用于全域的低耦合模态空间变刚度机理。研究表明，运动冗余的广义并联机构包括六个驱动支腿和三个铰点可重构驱动，实现刚度调整以及连续刚度正交特性。通过广义并联机构的解耦设计、结构优化、控制策略到实验验证等方面的研究，表明其能够扩大交叉耦合工作空间。研制了三种理论验证的原理样机，实验证实了解耦设计可行、性能良好。课题研究提升了并联机构的大范围高精度控制性能，突破微动应用领域，改善了运动模拟等应用的综合性能。