基于多时间尺度模型的振动基柔顺机械臂的控制研究

With the advanced development of the tank artillery weapons, it has become an inevitable trend for the ammunition transfer manipulator of tank autoloaders to equip with a compliant joint. In order to realize the arbitrary angle loading for the tank artillery, this project is focused on the tracking control of a new ammunition transfer manipulator with oscillatory base and flexible joint. The present study comprises three sections as follows. (1) Firstly, time-frequency analysis for coupling vibration of oscillatory and flexible joint is conducted to obtain multi-scale decomposition of the vibration states, using the empirical mode decomposition (EMD) method. (2) Secondly, by introducing two different small parameters, a three-time scales model of the system is built based on the non-parametric model of the flexible joint and the Euler-Lagrange model of the manipulator. (3) Finally, the geometric manifold method is used to realize the reduction and decoupling of the singular perturbation model of the system, and then the tracking controller of the ammunition transfer manipulator is built by combing implicit composite Lyapunov function, computed torque method and hybrid control law of the flexible joint. This research will lay a theoretical foundation for the development of ammunition transfer manipulator, and has important significance for promoting the application of the multi-time scale nonlinear dynamic and singular perturbation control in our national economy especially in military fields.

随着坦克火炮武器系统性能要求的不断提高，将柔顺关节引入弹药传输机械臂是未来坦克自动装弹机发展的必然趋势。车体振动与关节柔性振动耦合作用下弹药传输机械臂的轨迹跟踪控制，是未来坦克火炮实现任意角度装填必须要解决的难题。本项目拟以新型柔顺弹药传输机械臂为对象展开以下研究：(1) 采用经验模式分解法进行车体与柔性关节耦合振动的时频分析，实现振动状态的多尺度分解；(2) 结合关节非参数化模型与机械臂欧拉-拉格朗日模型，引入双摄动因子建立系统的三时间尺度模型；(3) 采用几何流形法进行系统奇异摄动模型的降阶与解耦，基于复合隐式Lyapunov函数、计算力矩法与柔性关节混合控制策略实现弹药传输机械臂的轨迹跟踪控制。本项目将为坦克自动装弹机弹药传输机械臂的发展奠定理论基础，对推动多时间尺度非线性动力学与奇异摄动控制在国民经济尤其是国防领域的应用具有重要意义。

弹药传输机械臂是现代坦克的重要组成部件，可以取代人工装填手，提升装填速度，进而提升坦克的整体性能。但是，受车体振动影响，现有刚性驱动的弹药传输机械臂普遍存在控制精度低、能量传输效率低等问题。将柔顺驱动器引入弹药传输机械臂是坦克火炮发展的必然趋势。如何设计满足弹药传输机械臂的柔顺驱动方案和控制方案是首先需要解决的问题。.本项目研究内容包括（1）考虑车体振动和负载惯量不确定影响的弹药传输机械臂的非线性动力学建模和鲁棒位置控制。（2）考虑车体振动和惯量不确定影响的柔顺驱弹药传输机械臂的非线性动力学建模和混合控制。（3）考虑车体振动和惯量不确定影响、且驱动和结构都存在柔顺性的弹药传输机械臂的非线性动力学建模和混合控制。（4）新型柔顺驱动弹药传输机械臂的结构设计研究。（5）振动基机械臂的鲁棒位置控制实验研究。.研究结果显示：（1）针对振动基弹药传输机械臂，采用计算力矩法将所建立的非线性动力学模型简化为线性误差模型，以此为基础，所设计的鲁棒跟踪控制器能够有效抑制车体振动的影响，相关实验研究也证明了其鲁棒性。（2）针对振动基柔顺驱动弹药传输机械臂，采用奇异摄动法将所建立的非线性刚柔耦合动力学模型分解为快、慢子系统，以此为基础，所设计双时间尺度控制器能实现弹药传输机械臂的鲁棒位置控制和柔性振动同时抑制。（3）针对振动基、双柔顺弹药传输机械臂，采用奇异摄动法将所建立的非线性刚柔耦合模型分解到三个不同时间尺度下，所设计的混控制器同样实现了系统大范围运动控制和两种小变形柔性的振动抑制。（4）提出两种全新柔顺驱动弹药传输机械臂的结构方案，一种具有柔性力范围大、另外一种具有能量传递效率高的优点。本项目首次研究了振动基柔顺弹药传输机械臂，所提出的结构方案和控制算法都具有相当的理论和应用价值，还在其他振动基机械臂领域（太空机械臂、水下机械臂、船舶起重机等）和其他柔顺驱动机器人领域具有潜在的应用价值。