基于柔顺机构的智能微操作机器人动力学与控制研究

项目名称： 基于柔顺机构的智能微操作机器人动力学与控制研究

项目编号： No.51265016

项目类型： 地区科学基金项目

立项/批准年度： 2013

项目学科： 机械、仪表工业

项目作者： 胡俊峰

作者单位： 江西理工大学

项目金额： 50万元

中文摘要： 微操作机器人广泛应用于精确微细操作、生物医学、航空航天等尖端领域。微机器人系统在微尺度效应和多场耦合效应作用下的非线性动力学行为、抑制环境参数等随机扰动引起的强非线性振动是亟待解决的问题。本项目基于柔顺机构和智能结构，采用拓扑优化方法和旋量理论对柔顺机构空间构型进行综合和参数优化设计，实现了多自由度微运动和机构、驱动、传感一体化设计；基于微多柔体动力学理论和智能材料本构关系，建立智能微柔顺机构的弹性动力学模型，研究其在微尺度效应和多场耦合作用下的运动和力传递特性；采用边界元法和集合理论凸方法探究在不确定性环境参数激励下的微机器人系统的非线性振动特性，研究尺度效应对其振动特性的影响；采用非线性鲁棒控制方法和非线性几何控制方法解决抑制外界随机扰动引起的振动问题，探讨其在微操作过程中随机性扰动对控制系统稳定性和鲁棒性的影响。本研究对微操作机器人实现复杂精确的微细操作具有重要的理论和实际意义。

中文关键词： 微操作机器人；柔顺机构；智能结构；动力学特性；非线性特性

英文摘要： Micromanipulation robot is widely used in the area of accurate micro operation, biomedical and aerospace. The problems to be solved are the nonlinear dynamic behavior of micro-robot system under the microscale effect and multi-field coupling, and strongly nonlinear vibration suppression caused by the random disturbance of environmental parameters. In the project, based on compliant mechanisms and smart structures, the synthesis and parameter optimization design of spactial configuration of micro compliant mechanism are performed by using the topology optimization method and spinor theory, so that multi-degree-of-freedom micro movements and the integrated design of mechanism, actuator and sensor can be achieved. Based on micro flexible multi-body dynamics and constitutive relation of smart materials, the elastic dynamic model of smart micro compliant mechanisms is built, and the motion and force transmission characteristics are analyzed considering the microscale effect and multi-field coupling.We explore the nonlinear vibration characteristics of micro compliant mechanisms excited by uncertain enviroment parameters by using the boundary element method and the convex method of set theory. And the effects of microscale effet on vibration feature are studied. The nonlinear robust control method and nonlinear geomet

英文关键词： micro-manipulation robot；compliant mechanisms；smart structure；dynamic characteristics；nonlinear characteristics