面向狭窄空间装配的大变形柔性并联机器人动态特性研究

Assembly automation is the trend of modern aircraft manufacturing. However, existing automatic aircraft assembly systems cannot meet the requirement for accessibility for assembly operations in the narrow spaces of aircraft wings. To overcome this problem, this project proposes a type of flexible parallel robots with large deformations. This type of robots uses the large bending deformations of their closed-loop linkages to drive the end-effectors and is exerted by periodic impact forces from the assembly processes. Therefore, the control and applications of these robots rely on the following key studies. (1) The motion mechanism of the flexible robots must be investigated to understand the coupling between the robot movement and the linkages' mechanics behavior. (2) Structural dynamics models must be developed to analyze the forced vibrations of the robots, to explore their dynamic characteristics such as the vibrations and fatigue life under dynamic assembly forces. (3) Optimal design strategy based on mechanics characteristics is proposed to improve the system dynamic performance while the accessibility capability of the end-effector is guaranteed. We aim at providing theoretical guidelines for the kinematic and dynamic analysis of this type of multiple flexible-body dynamic systems with closed-loop linkages and enabling new application scenarios for parallel robots.

装配自动化是当今飞机制造业的发展趋势，但现有的自动装配系统无法满足飞机机翼狭窄空间内的装配工序的可达性要求。为解决该难题，本项目拟研究一种面向狭窄空间装配的大变形柔性并联机器人。这类机器人利用闭环支链的弯曲大变形驱动末端执行器，并承受装配过程中的周期性冲击力。因此其控制和应用有赖于以下关键研究：（1）研究这类机器人利用柔性支链大变形的致动机理，探讨机器人运动和杆件力学行为的耦合作用；（2）建立这类机器人的结构动力学模型，探讨在动态装配力下的强迫振动及疲劳寿命等力学特性；（3）提出基于力学特性的机器人优化设计策略，在确保末端执行器可达性的前提下，提升系统的动态性能。本项目预期将建立这类含闭环支链的多柔体系统的运动学和动力学研究基础，并为并联机器人开辟全新的应用领域。

装配自动化和智能化是当今飞机制造业的发展趋势，但现有自动化装备无法满足许多飞机部件装配（如机翼壁板装配）的可达性要求。为解决该难题，本项目研究了一种针对狭窄空间装配的柔性机器人，该类机器人具有大变形并联杆件或者柔性关节，可装载到移动平台上以满足对大型构件的工作范围要求，且在装配过程中承受周期性加工力，其运动学、精度和动态特性均与柔性关节及杆件的柔性变形强耦合。..本项目开展了以下研究内容：（1）建立大变形柔性杆件的非线性有限元模型和超弹材料本构关系，进而研究机器人利用柔性支链大变形的致动机理，探讨机器人运动和杆件力学行为的耦合关系；（2）建立柔性关节机器人在强迫振动下的结构动力学模型，探讨在动态装配力下的振动特性；（3）提出基于动态特性的机器人路径优化策略，确保末端执行器振动特性满足工艺要求；（4）研究机器人装载到移动平台后的环境感知和精度补偿算法。..本项目的主要研究结果包括：（1）提出了一种基于迭代优化方法的超弹材料本构参数测定方法，将所测得参数用于非线性有限元仿真中，能够准确预测该类大变形超弹柔性杆件的受力-变形规律；（2）推导出大变形柔性杆件并联机器人的运动学模型解析表达式，可用于计算机器人的运动学正解、逆解和工作空间；（3）提出了柔性关节机器人在周期动态力作用下的振动特性的定量评价指标，将该指标用于优化机器人和工件的相对位姿，可有效降低由于振动引起的机器人误差；（4）针对移动平台在大范围移动，提出了回环检测参数的多目标优化算法，提升对环境感知的定位精度，并结合光学跟踪系统，研发了一种综合考虑基座位姿和运动学参数的机器人标定算法，能够有效提升机器人末端定位精度。..本项目研究内容属于机器人和结构力学的交叉领域范畴，相关研究将建立该类柔性杆件和柔性关节机器人系统的运动学和动力学理论基础，为其开辟全新的应用场景。