柔性支撑并联机构振动特性及抑振控制研究

The parallel manipulator with flexible support has many advantages, such as large workspace, high load capacity, low power consumption and cheap to build, which shows great application potential in aviation and aerospace fields. However, due to the late appearance, little research effort has been paid on the parallel manipulator with flexible support. Thus, thorough research is needed to be carried out urgently. Our preliminary research shows that: a key challenge of the parallel manipulator with flexible support lies in the vibration control, which must be discussed on the basis of entire dynamic model and vibration analysis. So, in this application, firstly, dynamic models of the flexible support and the parallel manipulator with moving base are established, the coupling characteristics are determined, and the entire dynamic model of the parallel manipulator with flexible support is obtained accordingly. Besides, the entire dynamic model is verified and amended with physical model experiments. Then, based on the obtained dynamic model, the force and vibration characteristics are analyzed through numerical simulations. Finally, according to the vibration characteristic, the vibration control strategy is proposed and experimented with for the parallel manipulator with flexible support, to improve the system stability and terminal accuracy. Research of this project can solve two major problems of the parallel manipulator with flexible support, namely entire dynamic modeling and vibration control, promoting its developments of both theoretical research and engineering application.

柔性支撑并联机构具有工作空间大、承载能力强、功耗小和造价低等优点，在航天和航空领域显现出巨大的应用潜力。然而由于柔性支撑并联机构出现较晚，研究成果有限，亟待有针对性的深入研究。申请人在前期研究中发现，抑振控制是柔性支撑并联机构工程应用的关键难点之一，该问题的解决依赖于其整体动力学建模和振动特性分析。因此，本申请拟首先建立柔性支撑的弹性动力学模型和基础平台运动的并联机构的刚体动力学模型，在明确内部耦合特性的基础上，联立获得柔性支撑并联机构的整体动力学模型，并进行实验验证和修正。然后，根据整体动力学模型，进行仿真分析，确定柔性支撑并联机构的力和振动特性。最后，依据振动特性的分析结果，有针对性的提出柔性支撑并联机构的抑振控制方法，进行模型实验研究，提高系统稳定性和终端轨迹精度。本项目的研究能够解决动力学建模和抑振控制两大问题，推动柔性支撑并联机构的理论研究和工程实践的发展。

索并联机构串联刚性并联机构所组成的柔性支撑并联机构继承了索并联机构大工作空间和刚性并联机构高动态特性的优点，同时具有功耗小和造价低的特点，在大范围高精度定位和调姿领域显现出巨大的应用潜力。然而柔性支撑并联机构本身结构复杂，且系统内部存在强刚柔耦合，终端精度保证和抑振控制是其理论研究和工程实践面临的关键问题。本项目针对该问题进行了动力学建模、振动特性分析和抑振控制等三方面的研究。.采用牛顿-欧拉方程推导了基础平台运动的刚性并联机构动力学模型，该模型包含基础平台的运动参数，具体包括基础平台的姿态、角速度、角加速度和线加速度等，能够完整反映柔性支撑运动状态对固连于其下的刚性并联机构力特性的影响。基于索的弹簧阻尼模型，建立了索并联机构的弹性动力学模型，该模型能够较全面的反映索并联机构（柔性支撑）在外力作用下的振动特性。通过分析研究，将柔性支撑并联机构的刚柔耦合特性界定为带有力反馈的位姿随动关系，并在此基础上完成了柔性支撑并联机构的完整动力学建模，为后续仿真研究提供理论模型。.将已建立的柔性支撑并联机构完整动力学模型进行线性化，获得索并联机构固有频率和位姿的函数关系，分析了索并联机构在工作空间内的固有频率分布，并进一步分析索并联机构几何参数对固有频率的影响灵敏度。通过引入虚平台，提出描述柔性支撑并联机构耦合特性的DCI（Dynamic Coupling Index）指标，分析了DCI取值与系统稳定性之间的关系，明确了刚性并联机构质量分布对DCI指标的影响。仿真研究表明降低刚性并联机构的负载质量和惯量有助于提高柔性支撑并联机构的整体控制稳定性，提升位置反馈控制下的终端精度。.完成柔性支撑并联机构物理实验模型的搭建。利用该实验模型，首先进行了动力学模型的验证实验，结果表明所建立的柔性支撑并联机构动力学模型正确有效。随后针对该物理实验模型，建立模糊控制逻辑，实现了柔性支撑并联机构的轨迹补偿抑振控制。实验表明采用轨迹补偿抑振控制后，柔性支撑并联机构系统的终端误差得到有效降低，所建立的模糊PID控制器能够有效改善整个系统的控制稳定性。