存在强随机基础振动的高速变负载机械臂的设计理论和方法

大口径陆战武器平台在行进中射击时的弹药传输机械臂，安装在车辆上的机械手，以及在船舶或海洋结构上工作的机械臂都属于一类存在基础振动且负载变化的机械臂。基础随机振动所导致的非线性力对机械臂的动力学行为具有严重影响，导致了动力学模型参数的不确定性，对这一类机械臂的研究具有重要的理论和实践意义。本研究以大口径陆战武器平台的弹药传输机械臂为研究背景，研究这类机械臂的结构设计、控制设计和机电集成设计的基本理论和方法。主要研究内容包括：机电传动与结构的集成设计，变负载磁流变平衡设计，面向鲁棒控制的动力学建模及控制算法设计，控制系统的半实物仿真，机械臂的激振试验与测试，全系统的实验研究等。通过本项目的研究，将基本建立存在强随机基础振动的高速变负载机械臂的设计理论和方法，该项目的研究成功，将会极大地提升我国大口径陆战平台的战术技术水平，具有重要的社会意义和经济效益。

以火炮武器系统的弹药传输机械臂为研究对象，探讨了考虑车体随机振动、负载变化和参数不确定情况下的机电一体化设计理论和方法。.（1）构建了几个典型弹药传输机械臂的解析模型、基于RecurDyn的多学科虚拟样机模型，假设不确定性参数表现为概率形式，分析了不确定性对定位精度的影响；对某机械臂进行了测试实验，根据实验结果对相应模型进行了修正。.（2）对不确定性模型进行抽样和仿真，以不确定性参数为输入，以定位误差为输出，构建了基于径向基神经网络的代理模型，对代理模型进行Monte Carlo仿真，获得了定位误差的概率密度分布；提出了一种机械臂定位精度优化方法，通过对少量采样点的定位误差进行加权取和作为粒子群优化过程中的性能参数，使得优化过程中定位误差整体减小的同时，相对较大的定位误差尽量远离均值状态。.（3）针对弹药传输机械臂的不确定性动力学模型，设计了一种分段线性反馈定位控制器。控制器不需要精确的系统数学模型，表现为增益可变的比例微分控制，即在动态过程中，控制器的增益根据系统当时状态偏差以阶跃方式按设定规律作相应改变。控制器对车体振动、惯量变化等不确定因素具有较强的鲁棒性，但控制输入表现为分段不连续函数，给实际工程应用造成了困难。.（4）为了解决上述问题，提出了一种基于给定隐式Lyapunov函数的连续时变反馈定位控制器。控制器的增益是系统状态变量的可微函数，随着系统状态变量逐渐趋向于零，该增益逐渐趋向于无穷大，但是控制力始终满足给定的约束。结合计算力矩法，将连续时变反馈控制策略推广到轨迹跟踪问题。.（5）分别研究了考虑传动部分、翻转部分结构柔性的机械臂的位置控制问题。传动部件、翻转部分分别被简化为线性弹簧、Euler-Bernoulli梁；采用第二类Lagrange方法及假设模态法建立了两种柔性情况下系统的刚柔耦合动力学模型；采用奇异摄动技术设计了各自的混合控制器，刚性部分的大范围运动采用连续时变反馈控制，柔性振动抑制采用速度反馈控制和最优线性二次型控制。.（6）搭建了机械臂实验平台并进行了相关的试验研究。试验平台分为两部分：一，以两自由度弹药传输机械臂为对象的缩比模型实验平台；二，以单自由度弹药传输机械臂为背景的简化模型实验平台。试验结果显示，所设计的控制器能够克服安装基础振动、惯量变化等不确定因素的影响，将机械臂由给定的初始状态驱动到指定的终点状态，具有非常强的鲁棒性。