电液复合驱动模块化可重构柔索并联机器人动态耦合特性、控制技术及实验研究

In order to meet the performance requirements in terms of multifunction, high precision and reliability, heavy payloads and intellectualization for the cable parallel robot (CPR), it is necessary to explore the creative design theory of the compound-driven CPR and integrated scientific problems of complex electromechanical system, consisting of mechanism, drive, sensor, control, etc. In the background of the collaborative lifting equipment in manufacturing, modular reconfigurable creative design, performance evaluation and dimensional synthesis of the mechanism, and experimental prototype development of the task-oriented electrohydraulic compound-driven CPR are performed to investigate the internal relationship between the configuration and dimension of the mechanism and the motion, lifting capacity and stiffness. Then, the multi-domain coupling dynamic model of the electrohydraulic compound-driven CPR is established. The influence mechanism is revealed between the robot performance and the structure parameters, manufacturing technology and environmental factors. Dynamic parameter identification and decoupling control strategy are studied based on dynamic coupling characteristics of the electrohydraulic compound-driven CPR. Precision motion control method is established. Through dynamic reliability analysis, development of the integrated analysis system for safety monitoring, and experimental research, safety and efficient operational monitoring theory and technology are developed to provide the theoretical and technical basis for improving the comprehensive performance, development and widely application of the CPR.

为满足柔索并联机器人多功能、高精度、高可靠、大负载、智能化等性能方面的要求，需探索包括机构、驱动、传感、控制等要素的复合驱动柔索并联机器人机构创新设计理论和复杂机电系统集成科学问题。本项目以联合起重吊装设备制造业为工程背景，开展面向任务的电液复合驱动柔索并联机器人模块化可重构创新设计、机构性能评价及尺度综合、样机研制，揭示机器人机构构型和尺度与运动、承载、刚度等之间的内在规律，构建电液复合驱动柔索并联机器人机电液多域能量耦合动态模型，探明系统结构参数、制造工艺及环境因素对机器人性能的影响机理，基于电液复合驱动柔索并联机器人动态耦合特性，开展系统动力学参数辨识及解耦控制策略研究，建立机器人系统精密运动控制方法，通过系统动态可靠性分析、安全监控系统开发及实验研究，发展电液复合驱动柔索并联机器人系统安全、高效运行监控理论与技术，为柔索并联机器人综合性能提升，开发和广泛应用提供理论依据和技术支撑。

近年来，随着柔索并联机器人装备机械化程度和综合性能的较大提升，并在工程项目领域的应用不断扩大，对柔索并联机器人提出了更高的要求。为满足柔索并联机器人多功能、高速度、高精度、高可靠、大负载、智能化等性能方面的要求，需探索包括机构、驱动、传感、控制、执行系统等要素在内的多自由度复合驱动柔索并联机器人机构创新设计理论和复杂机电系统集成科学问题。本项目以电液复合驱动模块化可重构柔索并联机器人为研究对象，采取理论研究与原理性实验验证相结合、基础研究与关键技术应用研究相结合的方式，深入开展该可重构柔索并联机器人模块化可重构创新设计、动态耦合特性分析以及协同避障研究。搭建了电液复合驱动模块化可重构柔索并联机器人实验平台，设计了一种新型索杆复合驱动的可重构串并联码垛机器人，采用基于图论的结构综合方法对电液复合驱动模块化可重构柔索并联机器人进行了结构综合分析并提出了该机器人的可重构分析方法；采用拉格朗日方法建立了考虑柔索弹性及动力系统的电液复合驱动模块化可重构柔索并联机器人耦合动力学模型，开展模块化可重构柔索并联机器人动态特性分析，设计开发了一种新型变刚度装置，通过实验验证了基于新型变刚度装置的变刚度控制方法的可行性和有效性；开展可重构柔索并联机器人协同重构避障与轨迹规划研究，提出复杂作业环境下可重构柔索并联机器人协同重构避障方法，设计模块化柔索驱动并联机器人的点到点轨迹规划，提出机器人移动构件快速定位方法；通过逆运动学与动力学实验、点到点轨迹规划实验以及变刚度实验验证了机器人的运动学和动力学性能以及控制方法的可行性和有效性，为电液复合驱动柔索并联机器人综合性能提升，开发和广泛应用提供理论依据和技术支撑。