本论文针对一类冗余直驱运动平台,创新地提出了兼顾轴间内力协调与运动跟踪性能的精密协同控制理念,提出了一套系统性的刚柔耦合建模分析及协同控制的新方法。论文分析了高性能需求驱动下冗余直驱系统的结构特点,明确了该类冗余系统的同步控制问题与仅考虑运动学耦合的多轴协调轮廓控制问题之间往往被忽视的重要区别——高刚性的物理连接所形成的闭链结构使冗余轴动力学完全耦合,可能存在的轴间内力和未知耦合非线性制约着性能的进一步提升。为了实现此类系统的高动态高精度平稳控制,强抗干扰的高精度运动跟踪以及轴间耦合内力的调节是两个关键的控制问题。而目前关于耦合动力学模型的研究尚不完善,且现有基于纯运动的控制方法受限于其在轴间内力调节研究方面的缺失,无法满足更高性能控制设计的要求。为解决以上问题,本文在深入研究冗余直驱运动平台动力学模型后,先提出了一种简单有效的基于推力分配的协同控制方法以在运动控制的同时抑制过度的轴间内力影响,然后更进一步地提出了一种多变量协同控制方法以获得同时调控内力和运动的更好性能。论文首先探索系统基于物理连接刚性和滚珠导轨副支撑柔性的刚柔耦合建模方法:所提的机理建模分析方法对闭链冗余结构各运动部件给出了完整的运动学描述和动力学转换关系,对耦合作用的产生根源和作用机制给出了详细准确的分析和描述,所得刚体/柔体多阶耦合模型对于分析同步性能受限因素,以及进一步研究适合补偿控制的参数化模型,具有有益的指导价值;然后,论文研究了一种基于推力分配策略的精密协同控制设计方法:所设计的控制器具有阶数低、易于工程实现等优点,通过运动跟踪控制层+推力分配控制层的两层控制结构,分别基于系统不确定性补偿设计自适应鲁棒控制算法和基于稳态内力约束条件设计推力分配算法,在外干扰和参数变化等不确定情况下能取得鲁棒高精度运动性能和稳态较好的内力抑制能力,实现了同时保证运动跟踪精度及避免过度轴间内力的控制目标;最后,论文研究了一种同时调控内力与运动性能的多变量精密协同控制设计方法:基于所得到的刚柔多阶耦合动力学,进一步建立了包含高阶旋转动态不确定及耦合非线性,并且适用于各种不确定及非线性补偿控制实现的参数化多输入多输出耦合控制模型,利用自适应鲁棒控制的有效模型补偿及高性能鲁棒反馈,以及仅依赖期望轨迹信息的期望补偿技术,设计了多输入多输出控制器,保证了稳态和瞬态的内力调节性能,并实现了控制性能的进一步提升。理论、辨识和对比控制实验研究均表明,所提刚柔耦合机理建模方法切实有效;所提基于推力分配的协同控制方法和同时控制内力与运动性能的多变量协同控制方法使系统跟踪精度高、轴间内力小、控制消耗能量小,具有优越的理论性能和鲁棒实用价值,是解决冗余直驱运动平台精密协同控制问题的有效途径。本论文共分为五章,现分别简述如下:第一章,介绍了所研究对象的需求背景及发展趋势,总结了该类系统的控制及应用所面临的主要问题,然后分别阐述了目前的研究现状与存在的不足,提出了兼顾内力与运动性能的协同控制理念,并介绍本课题的研究意义和论文研究工作的主要内容。第二章,针对冗余直驱运动平台的龙门闭链结构,采用机理建模的方式,基于滚动直线导轨副的弹性分析,给出了横梁平移与旋转运动的完整描述,并通过研究各个部件间的力、运动关系,建立了基于基于物理连接刚性和导轨副支撑柔性的刚柔耦合系统动力学模型。分析了耦合模型中高阶线性动力学及其受到导轨副支撑刚度影响的模态特性。基于双直线电机冗余驱动的龙门运动实验平台,进行了相应的系统辨识实验研究,验证了所提出系统模型的有效性,分析了高阶旋转动力学的形式和频域范围。此外根据现有运动同步的控制策略,设计了基于交叉耦合同步误差模型的自适应鲁棒同步控制器作为代表性实施例,通过对比不同控制参数的实验结果,研究了耦合动力学对同步控制性能的限制,为进一步设计高性能的协同控制器做了铺垫。第三章,提出了一种基于推力分配策略的自适应鲁棒协同控制两层架构设计方法,该方法在运动控制层基于自适应鲁棒控制算法保证系统在不确定影响下的跟踪性能,在推力分配层基于内力约束平衡方程设计推力分配算法,从而避免轴间过度的内力影响以保证系统优秀的整体性能,且总体控制器还具有易于工程实现的优点;针对负载分布未知或变化的实际情况,引入在线精确参数估计层实现自适应推力分配算法;针对负载具有可知运动的实际工况,完善了负载运动补偿推力分配算法;与现有同步控制算法的对比实验验证了所提基于推力分配策略的自适应鲁棒协同控制方法的控制性能和实用价值。第四章,在控制器设计中直接考虑旋转动力学,提出了一种多输入多输出自适应鲁棒协同控制设计方法。首先,基于完整动力学建立了便于补偿控制和参数自适应实现的参数化多变量耦合模型;据此,提出同时控制轴间内力与运动性能的协同控制方法并设计了多输入多输出自适应鲁棒协同控制器;针对实用中角度数值可能存在的测量噪声,利用期望补偿技术设计实现了期望补偿自适应鲁棒协同控制器;最后,通过在冗余直驱龙门运动实验系统上的对比实验,验证了本章所提多输入多输出协同控制方法相比于基于推力分配策略的控制方法在控制性能上的进一步提升,以及所设计的控制算法相比于确定性鲁棒控制算法在控制精度上的高性能本质。第五章,总结了论文的研究工作和进展,阐述了创新点,对后续研究进行了展望。