并联机器人在微定位与跟踪应用中要满足运动响应快、精度高与稳定性好的性能,则对其动力学和控制策略的研究至关重要。目前在对并联机器人动力学进行研究时,基本是将其各构件视为刚体,忽略了机器人工作过程中各构件之间的刚柔耦合关系,导致创建的动力学模型不够精确。在对其进行控制时,依然将并联机器人各支链视为完全独立的单个系统,并运用传统的控制方法进行单独控制,未能充分考虑控制系统的多变量特性和其连杆结构的高度交互性,严重影响机器人的工作性能。文章根据并联机器人在微定位与跟踪应用中的需求,建立了含柔性铰链的三自由度并联机器人模型,并对其刚柔耦合动力学和最优控制策略进行分析。具体研究内容如下:首先,运用SolidWorks软件创建了含有柔性铰链的三自由度并联机器人三维结构模型;运用几何法分析了其位置逆解;运用数值法分析了其位置正解,并基于MATLAB软件对其位置正解进行仿真计算。同时为了确保该机器人的可控性,对其奇异性进行分析。仿真结果表明:该并联机器人末端质心的实际轨迹与其期望轨迹基本吻合,误差相对较小,验证了所建并联机器人模型的正确性,为其动力学与控制策略的研究提供了理论依据。其次,运用多体系统传递矩阵法(MSTMM)对该并联机器人进行动力学建模,通过建立其多体系统树模型,推导各个构件之间的转换矩阵,得到了该机器人系统整体转换矩阵和动力学方程,并基于ADAMS软件对其刚体模型与刚柔耦合模型的动力学和运动学性能进行仿真分析。仿真结果表明:该并联机器人刚柔耦合模型比其刚体模型的运动性能更优,其刚柔耦合模型末端质心运动情况在x、y和z方向的输出均有明显变化,其中z方向位移、速度和加速度变化较大,分别增大0.4025 mm、20.8525 mm/s和685.6229mm/s~2;其驱动杆1在y方向的驱动力和力矩均有明显的减小,分别减小0.0692 N和8.5473 N-mm。含柔性铰链的并联机器人关节柔顺性更好,刚柔耦合模型仿真下并联机器人运动响应更快,驱动力相对减小,力学性能更接近工程实际,验证了该动力学建模方法的合理性与有效性。然后,通过分析该并联机器人状态空间,获得其状态空间方程,从可控性与可观测性的定量描述角度出发,运用Hankel模型对该机器人状态空间进行约简,并基于约简后的状态空间方程建立该机器人的整体控制方案,采用LQR控制和遗传算法优化的LQR控制两种控制方法分别对该机器人末端位姿基于MATLAB软件进行仿真分析。仿真结果表明:基于遗传算法优化的LQR控制方法其控制效果更明显,在1 s时机器人运动已进入稳态,机器人末端质心位移在x,y和z方向位移分别下降18.18%、17.76%和3.07%;各个支腿上加速度分别下降6.12%、6.25%和5.88%;各支腿上最大控制力分别下降8.96%、7.32%和9.01%。机器人运动精度更高、响应更快、稳定性更好,支腿受力也有所减小。最后,基于遗传算法优化的LQR控制策略,结合机械结构多体系统振动理论,在对该机器人定平台施加正弦激振和对其动平台施加载荷两种情况下采用MATLAB软件和ADAMS软件联合仿真,分析了该并联机器人末端运动的稳定性。仿真结果表明:该控制方法下机器人整体稳定性较好,进一步验证了该控制方法的优越性。另外该机器人末端在x和y方向的共振频率均保持在5 Hz左右,而z方向的共振频率有明显的后移现象,逐渐向高频(10 Hz)靠近,证明了并联机器人运动过程中机构之间高耦合特性的存在。通过上述研究,为进一步对并联机器人动力学与控制策略的研究提供了重要的理论意义和实际参考价值。