浮动基大型刚弹柔耦合装备空间多环机构学理论及控制研究

The manufacture of seabed construction and offshore operation equipment is increasing with the moving forward of China’s maritime power building strategy. But most are learned from foreign technology, and need more innovation of ourselves, because the exist technology does not have adaptability to the bad sea condition. The equipment is large rigid-elastic-flexible coupling spatial multiloop mechanisms on floating base. The research of their mechanisms theory and control is few, which has been restricting the improvement of China’s marine equipment development. We intend to carry out researches on configuration and innovation of rigid-elastic-flexible coupling spatial multiloop mechanism study. Combine the coordinate invariance of Lie group and Lie algebra and the intelligence equivalent of complex structure and the equivalent theory of flow field force, the theory and method for kinematic, dynamics modeling is proposed. Based on the deep learning of multi-layer neural network, the real-time control model will be get. The control research will carry out based on the experimental prototype. The theory of configuration, model building, analysis, optimization and real-time control theory of rigid-elastic-flexible coupling spatial multiloop mechanisms on floating base will be developed. This project will not only enrich mechanisms theory by its scientific evaluation, but also support important theory and key technology to China’s marine special equipment innovation development and contribute to the Belt and Road initiative.

随着我国海洋强国建设推进，海底施工、海上作业需求快速增长，装备制造迅速发展，但存在仿制多、原创少和海况适应力差等问题。这类装备的机构模型为浮动基大型刚弹柔耦合空间多环机构，但由于目前相关机构学理论及控制研究较少，严重制约了我国海工特种装备的创新升级。本项目面向大型海上施工和过驳装备创新急需，开展刚弹柔耦合空间多环机构综合方法，实用机型创新研究；融合李群李代数坐标不变性、复杂弹性体结构刚度和流场载荷等效原理，发展刚弹柔耦合空间多环机构学理论；通过深度学习获得浮动基刚弹柔耦合空间多环机构多层神经网络实时控制模型；创新研制试验样机，开展控制研究；初步建立浮动基大型刚弹柔耦合空间多环机构综合、建模、分析优化和实时控制的系统理论。项目研究不仅进一步丰富机构学理论，具有重要的科学价值，而且将为我国海工特种装备创新发展提供重要的理论和关键技术支撑，为实现海上强国战略和“一带一路”倡议做出贡献。

随着我国海洋强国建设的推进，浮动基无码头货物补给、海底施工等海上作业需求快速增加，相关装备制造迅速发展，但仍存在仿制多、原创少和海况适应力差等问题。此类装备属浮动基大型刚弹柔耦合空间多环机构，由于目前相关机构学理论及控制研究较少，制约了我国海工特种装备的创新升级。.本基金支持下，团队以吊装机器人、水下超长机械臂、稳定作业装备为主要研究对象，开展了如下研究工作： .1）针对目前浮动基作业装备存在的海况适应力较差、重偏载和机构体积与工作空间比较大等问题，创新综合出了多种刚弹柔耦合空间多环防晃吊装机器人、水下刚弹柔耦合超长作业机械臂、补偿式串并混联稳定克令吊和重载折叠并联稳定平台等大型作业装备新机型。.2）基于旋量理论、李代数、影响系数法和伪刚体理论，建立了考虑大型构件和柔索弹性变形、几何非线性及弹性力约束的动力学模型，发展了刚弹柔耦合空间多环系统的运动学、动力学建模理论与方法。.3）从多角度分析总结了多因素下浮动基及多闭环机构系统的动力学响应特性，提出了适用于大弹性变形的多环机构连续刚度模型。.4）融合机构学理论、现代控制理论及人工智能提出了基于Encoder-Decoder的浮动基智能摇荡预测方法及面向受限空间的稳定平台智能运动补偿规划算法；设计出了考虑多环动耦合、不确定、饱和及状态约束的非线性控制器。.5）创新研制了刚弹柔耦合空间多环防晃吊装机器人缩比样机、水下刚弹柔耦合超长作业机械臂缩比样机及浮动基实验测试系统，并开展了相关控制试验。.本研究工作为浮动基大型刚弹柔耦合空间多环机构的综合、优化、建模和控制提供了重要的参考价值，为该类系统的创新设计及控制提供了关键技术支撑。研究内容覆盖了申请书的全部任务，并取得了一定的理论和应用成果。团队在领域内高水平期刊发表学术论文15篇，申请发明专利8项，已授权6项，授权实用新型专利3项。项目实施过程中培养了博士后1人，博士研究生5人，硕士研究生7人，获得燕山大学优秀硕士毕业生1人。