杨小龙博士答辩公告

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杨小龙博士答辩公告

发布时间:2018-07-03浏览次数:1806作者:来源:机电学院供图:审核:

答辩博士：杨小龙

指导教师：吴洪涛

论文题目：六自由度并联机器人运动学、动力学与主动振动控制研究

答辩委员会：

主席：王兴松教授东南大学

委员：谭业发教授陆军工程大学

李东波教授南京理工大学

卢道华教授江苏科技大学

陈柏教授南京航空航天大学

秘书：鞠锋副研南京航空航天大学

时间：2018年07月10日14:30

地点：南航明故宫校区17^#-519

学位论文简介：

并联机器人具有刚度大、惯量小、高速高精度的优势，其应用能涵盖工业、特种、服务等几乎所有机器人应用领域。相对其高性能发展要求，理论基础远未成熟。为此，本文研究了六自由度并联机器人的运动学、动力学与控制中若干关键问题。在处理刚体运动问题时，巧妙地使用了对偶四元数方法，在计算运动学和动力学方面取得了很大的进展，提出的算法可以用于六自由度并联机器人在线辨识、闭环控制等实时应用，具有很大的学术和商业价值。此外，以运动学和动力学性能为设计指标，对应用于航天器隔振的Stewart平台进行了优化设计。本文将动力学与控制相结合，使得系统的闭环性能得以显著提高。根据理论研究成果，开发的六自由度并联机器人在航空航天、精密仪器等领域有很好的产业化前景。

主要研究工作包括：

（1）六自由度并联机器人正向运动学的对偶四元数算法

针对六自由度并联机器人的正向运动学问题，提出了这类问题迄今为止最高效的数值算法，讨论了其收敛性与奇异性问题，揭示了算法非奇异的条件。该算法适用于全驱动和冗余驱动的情形，相比传统牛顿迭代算法，提高了64倍的计算效率，能用于任务空间的闭环控制中。

（2）六自由度并联机器人最大无奇异关节空间与工作空间的计算

针对六自由度并联机器人无奇异关节空间和工作空间的表示和计算问题，提出了首先确定最大无奇异关节空间，然后自动获得最大无奇异工作空间的策略。提出了在关节空间中检测奇异性的算法，能快速确定最大无奇异工作空间，为机器人工作的安全性提供了保障。

（3）六自由度并联机器人的高效反向动力学算法

研究了计算高效的六自由度并联机器人反向动力学求解方法。选择一个单位对偶四元数为系统的广义坐标，采用虚功率原理建立运动方程，生成计算高效的反向动力学解。对于6-UPS和6-PUS并联机器人，新方法相比传统方程分别减少了43.45%和38.45%的计算量。

（4）基于尺度均匀雅可比矩阵的Stewart平台优化设计

针对基于Stewart机构的六轴隔振平台的运动学性能优化设计问题，提出了尺度均匀雅可比矩阵生成方法，解决了Stewart机构雅可比分析时转动和移动量纲不一致的问题。以局部运动学各向同性为性能指标，采用遗传算法获得最优构型。

（5）Stewart平台动力学各向同性设计与分散控制

研究了基于Stewart机构的六轴隔振平台的动力学各向同性设计与分散主动控制。首次找到了平台工作在自由漂浮状态下，动力学完全各向同性的解析条件。揭示了动力学各向同性和运动学各向同性间的内在联系。针对动力学各向同性的隔振平台设计了分散控制器，闭环系统具有各向同性的性质，在所有方向上有一致的隔振性能。

（6）柔性Stewart平台动力学建模与解耦控制

研究了柔性Stewart平台的建模和主动振动控制方法。利用伪刚体模型和虚功率原理，推导了具有足够精度和简洁性的显式线性化动力学方程。设计了基于关节空间力/位反馈的解耦控制算法，位置反馈抵消了柔性铰链的寄生弯曲和扭转刚度的作用，力反馈实现模态空间振动控制。控制器的比例增益和积分增益可以分别调节六个振动模态的转折频率和主动阻尼。

主要创新点如下：

（1）提出了六自由度并联机器人的正向运动学问题迄今为止最高效的数值算法，讨论了其收敛性与奇异性问题，揭示了算法非奇异的条件。

（2）研究了六自由度并联机器人无奇异关节空间和工作空间的表示和计算问题，提出了首先确定最大无奇异关节空间，然后自动获得最大无奇异工作空间的策略。

（3）研究了计算高效的六自由度并联机器人反向动力学求解方法，选择单位对偶四元数为系统的广义坐标，采用虚功率原理建立运动方程，生成计算高效的反向动力学解。

（4）提出了尺度均匀雅可比矩阵生成方法，解决了Stewart机构雅可比分析时转动和移动量纲不一致的问题，以局部运动学各向同性为性能指标，采用遗传算法获得最优构型。

（5）研究了基于Stewart机构的六轴隔振平台的动力学各向同性设计与分散主动控制，首次找到了平台工作在自由漂浮状态下，动力学完全各向同性的解析条件，揭示了动力学各向同性和运动学各向同性间的内在联系。

（6）研究了柔性Stewart平台的建模和主动振动控制方法，设计了基于模型的解耦控制算法，位置反馈抵消了柔性铰链的寄生弯曲和扭转刚度的作用，力反馈实现模态空间振动控制。

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