大型船舶舷侧涂装索并联机器人动态工作空间与稳定控制研究

The approaching peak period of shipbuilding and the trend of large ship demand the development of efficient painting technologies urgently. Since the side shell takes up 65% hull area, its automated painting is the key to meet above requirements. For this reason, this project focues on the automated painting requirement of side shell of large ship, taking four-cable driven paralle mechanism as the research object, and studies its dynamic characteristic as well as stable control under the dynamic workspace. Firstly, based on the brief dynamic model, the couple analysis between the dynamic workspace and terminal acceleration of the cable driven parallel manipulator is carried out, and the paractical dynamic workspace and dimension are determined; Then, with the established disterbance model and the introduced control module, the complete elastic dynamic model is deduced, and the dyanamic characteristcis is analyzed as the foundation for later stable control. Finally, dynamic trajectory planning and stable control research of the cable driven pareallel manipulator are completed, based on the real-time cable force feedback and dynamic trait model. Besides, experimental model and measure system are set up, and verification as well as improvement on above theoretical reseach are completed. This project will not only realize the stable surpassing span motion of the cable driven parallel manipulator, which lays the theoretical and application basis for automated painting of our large ships, but also promote the frontier theoretical study on the dynamic workspace of the cable driven parallel manipulator.

造船高峰期的来临和船舶大型化趋势迫切要求我国发展大型船舶的高效涂装技术。约占船身面积65%的船舶舷侧自动化涂装是实现大型船舶高效涂装的难点和关键。为此，项目针对大型船舶舷侧涂装要求，以4索并联机构为研究对象，研究其动态工作空间内的动态特性和稳定控制等关键技术。首先基于系统简化动力学模型，研究索并联机构动态工作空间与终端加速度耦合分析方法，确定索并联机构的动态工作空间和几何尺寸。其次，通过建立外扰力模型和引入控制模块，建立系统完整弹性动力学模型，完成动态特性分析，为稳定控制奠定基础。最后，完成索并联机构的动态轨迹规划以及基于实时索力反馈和动力学特征模型的稳定控制研究，并搭建实验模型和测量系统，验证和完善理论研究内容。通过本项目的研究，将实现索并联机器人的超跨度稳定运动能力，为我国大型船舶自动化涂装奠定理论和应用基础，而且对推动索并联机构动态工作空间相关前沿理论的研究具有重要意义。

索驱动并联机构采用绳索来代替刚性连杆，具有结构简单、工作空间大、动态特性好和承载能力强的优点。索并联机构有效的简化了刚性并联机构的支链结构，实现了机构的轻量化，具有优异的效能，在高速和超大工作空间领域应用潜力突出。动态工作空间能极大地扩展悬挂式索并联机构的可达工作空间，逐渐成为索并联机构研究的一个前沿热点。本项目提出采用索并联机构的动态工作空间来实现大型船舶舷侧的自动化涂装，以4索并联机器人为研究对象，从理论和应用方面深入研究索并联机器人在大型船舶舷侧涂装应用中的关键技术，重点解决其动态工作空间内的动态特性分析、轨迹规划和稳定控制等方面的问题。.首先，采用牛顿-欧拉方程推导了索并联机构动力学模型，分析了动态工作空间与动平台加速度的耦合关系，基于等效重力场建立了索力均布评价指标。根据索并联机构动态工作空间和索力分析结果，结合具体大型船舶舷侧倾角和曲面形状，展开了优化设计研究，确定了实验模型的几何参数。其次，基于单索的弹簧-阻尼模型建立的系统弹性动力学模型，利用 Matlab 软件进行了时域和频域的仿真研究，分析了四索并联机构两种工作模式下动态工作空间内的固有频率、模态数据以及动态刚度等。完成了动态特性的敏感性分析，归纳总结各参数对系统力和振动的影响，为调整系统的动态特性提供了解决途径。最终，以机构的稳定性和动态刚度为指标，以运动范围要求为约束，进行了合理的姿态规划动态轨迹规划研究。建立了兼顾位姿精度和索力要求的索并联机构控制方法。.通过本项目的研究，解决了大工作空间索并联机构应用的诸多基础理论和工程实践问题，推动了索并联机构的工程应用。基于该项目的研究成果，成功与中船重工船舶工艺研究合作申报了搞技术船舶科研项目“船舶分段智能制造装备解决方案及关键共性技术研究”，致力于将索并联机构应用于船舶分段非结构面的喷涂工况。