《高速並在線上器人柔性機電系統建模理論與控制策略研究》是依託天津理工大學，由趙新華擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：高速並在線上器人柔性機電系統建模理論與控制策略研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：趙新華
- 依託單位：天津理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
並在線上器人具有高剛性、高精度、高承重比等諸多優點而得到廣泛套用，並在線上器人在高速操作時，實現高精度控制必須考慮到機器人的柔性問題。並在線上器人作為被控對象，是一個非線性、多輸入多輸出、強耦合且具有系統不確定性的複雜系統，因此，柔性機電系統建模及其控制策略研究是並在線上器人領域中最具挑戰性的課題之一。由於並在線上器人的控制較為複雜，常規PID 控制效果很不理想，隨著控制理論的發展，新的控制方法不斷湧現，並在線上器人的控制方法也得到了迅速發展。但在實際系統中，考慮到動力學模型的不確定性、摩擦、彈性變形以及其它干擾因素的存在，單純依靠某種智慧型控制方法很難滿足並在線上器人較高的控制精度。因此，尋求一種既能考慮耦聯特性和不確定性，又具有自適應和魯棒穩定性、且易於實現的高精度控制方法就具有重要的現實意義。
結題摘要
並在線上器人的高剛性、高精度等優點使其廣泛地套用於各種產品的製造與加工領域。為了提高生產效率和降低能源消耗，柔性輕質構件不斷被引入到並聯運動機構中，此時要實現並在線上器人的高精度控制，在系統建模和求解過程中不但要考慮並在線上構本身的非線性、強耦合等特性，還必須考慮柔性構件在運動過程中所產生的大範圍非線性彈性變形問題。因此，柔性機電系統建模及其控制策略研究是並在線上器人領域中最具挑戰性的課題之一。目前，構建柔性機器人動力學模型時主要採用運動彈性動力學法、浮動坐標系法來描述柔性桿的小變形，由於它們不能準確地描述非線性大變形柔性系統的動力學特性，所以在構建控制策略時很難獲得令人滿意的控制效果；同時需要構建合理的數值求解方法來解決耦合方程之間的相容性問題以及求解效率問題，從而為控制策略的建立與實現奠定良好的理論基礎。 本項目以一種含有柔性桿件的3-RRRU空間並在線上器人作為研究對象，首先，針對剛性3-RRRU並在線上器人，在考慮所有關節摩擦力矩的情況下構建了該系統完整的動力學模型，分析了關節摩擦效應對剛性機構驅動力矩與軌跡精度的影響，提出了一種新型的近似時間最優的平滑軌跡規劃方法，並通過理論和實驗論證了規劃方法的可行性和有效性。其次，利用自然坐標法和絕對節點坐標法構建了剛柔混合3-RRRU並在線上器人的非線性動力學模型，給出了計算彈性力及其雅克比矩陣的新方法來提高求解的計算效率,同時提出了一種瞬態剛體校正法來解決系統方程之間的相容性問題，並對求解策略進行了詳細的分析。最後，基於圓周運動軌跡，通過求解柔性系統的非線性動力學模型來分析柔性桿件對系統軌跡精度與驅動力矩的影響，然後根據所求出的逆動力學解來構建柔性機電系統的非線性控制策略，同時在設計控制器非線性補償算法時考慮摩擦等因素的影響，並通過動態軌跡跟蹤實驗和應變實驗驗證了控制策略的可行性。本項目研究成果對構建和精確求解柔性並在線上器人動力學模型及其控制策略具有重要的理論與現實意義。
