基于阻尼影響的六自由度并聯(lián)機構模態(tài)空間設計及控制.pdf

1、六自由度并聯(lián)機構以其承載能力強、剛度大、精度高的優(yōu)點在工業(yè)中受到廣泛的應用。但由于并聯(lián)機構固有的強非線性動力學特性，使得系統(tǒng)在物理空間內各自由度之間存在強耦合特性，這種強耦合特性導致傳統(tǒng)基于物理空間設計的控制器很難獲得理想的高控制品質。目前國內外學者提出了一種新穎的模態(tài)空間控制策略，在粘性比例阻尼的假設條件下，基于模態(tài)解耦思想將物理空間內強耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)轉化為模態(tài)空間內相互獨立的單輸入單輸出系統(tǒng)，對各階模態(tài)單自由度系統(tǒng)進行獨立控

2、制最終實現(xiàn)提升并聯(lián)機構控制性能、擴展系統(tǒng)頻寬的目的。
　　在工業(yè)應用中，并聯(lián)機構各關節(jié)阻尼不可忽略，此時模態(tài)空間出現(xiàn)非粘性比例阻尼耦合現(xiàn)象，破壞了模態(tài)空間的解耦條件，嚴重制約了模態(tài)空間控制策略的發(fā)展。為此，本文對并聯(lián)機構各關節(jié)阻尼引起的耦合非線性進行深入的機理分析，提出從結構設計角度消除模態(tài)空間阻尼耦合的新思路，擴展了模態(tài)空間控制策略的適用范圍，具有十分重要的理論與工程應用價值。本文從慣性參數(shù)辨識、結構設計、控制策略三方面進行研究

3、。
　　模態(tài)空間控制策略高控制品質的發(fā)揮首先受到了系統(tǒng)慣性參數(shù)的影響，而現(xiàn)有的慣性參數(shù)辨識方法未考慮并聯(lián)機構各關節(jié)阻尼引起的耦合非線性，在辨識原理上存在缺陷。為此，本文提出一種消除阻尼耦合特性影響的慣性參數(shù)辨識方法。在建立考慮各關節(jié)阻尼特性的完整動力學模型基礎上，分析阻尼耦合與慣性參數(shù)辨識之間的關系，通過重新構造包含阻尼耦合引起的各自由度相位差信息的辨識方程，從機理上消除阻尼耦合引起的慣性參數(shù)辨識誤差。同時，針對干摩擦引起的辨識誤

4、差，給出基于波形失真度的辨識誤差量化評價指標及辨識誤差的修正方法。仿真與實驗結果驗證了該辨識方法的有效性。
　　基于模態(tài)解耦的設計方法則從結構角度提供了一種消除系統(tǒng)動力學耦合特性的有效途徑，具有機械解耦性質的并聯(lián)機構為模態(tài)空間控制策略發(fā)揮其優(yōu)越控制品質奠定基礎。但現(xiàn)有設計方法忽略了并聯(lián)機構各關節(jié)阻尼引起的模態(tài)阻尼耦合特性，導致其設計理論無法有效的對工業(yè)級低機械成本并聯(lián)機構進行指導。為此，本文在對包含系統(tǒng)阻尼特性的振動方程進行模態(tài)分

5、析的基礎上給出模態(tài)參數(shù)的封閉解析解，進而揭示模態(tài)阻尼耦合特性與結構參數(shù)的內在聯(lián)系，提出通過改變結構參數(shù)降低系統(tǒng)非粘性比例阻尼耦合成分從而使模態(tài)空間控制策略仍然適用的新方法。同時，針對并聯(lián)機構在大運動范圍時由于位姿引起的模態(tài)頻率耦合特性進行分析，基于模態(tài)靈敏度給出全局模態(tài)頻率耦合評價指標。最后以降低阻尼耦合特性及全局頻率耦合特性為綜合優(yōu)化目標，獲得消除阻尼耦合影響的全局模態(tài)解耦結構優(yōu)化方法。
　　最后，在通過結構設計消除模態(tài)阻尼耦合

6、影響之后，本文發(fā)現(xiàn)并聯(lián)機構的關節(jié)阻尼特性引起了新的模態(tài)空間高頻過阻尼現(xiàn)象，限制了系統(tǒng)頻寬的進一步提高。為此，本文結合液壓控制理論，提出一種通過動壓反饋技術實現(xiàn)降低系統(tǒng)阻尼比從而將系統(tǒng)頻寬擴展至模態(tài)頻率附近的模態(tài)空間控制策略，并給出控制器的解析設計方法。同時，為了將模態(tài)空間控制策略應用于具有大運動范圍的并聯(lián)機構，本文對位姿引起的模態(tài)耦合特性進行研究，基于消除模態(tài)躍遷的模態(tài)參數(shù)實時求解算法，將模態(tài)空間控制策略擴展形成全局模態(tài)空間控制器。實驗