二自由度冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)建模及控制研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人相比,并聯(lián)機(jī)器人具有剛度大、精度高、承載力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人能夠利用冗余特性完全或部分消除奇異性,優(yōu)化分配驅(qū)動力,提高并聯(lián)機(jī)器人的速度和加速度能力。然而,并聯(lián)機(jī)器人存在多條支鏈的特點(diǎn)給運(yùn)動學(xué)性能分析帶來了困難。同時,它又是一個復(fù)雜的多輸入多輸出的非線性系統(tǒng),具有時變、強(qiáng)耦合和非線性動力學(xué)特性,增加了控制的難度。本文針對平面二自由度冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人,從運(yùn)動學(xué)分析、機(jī)電耦合動力學(xué)模型的建立、控制器設(shè)計(jì)以及實(shí)驗(yàn)方

2、面對并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了深入地研究。
　　 研究了并聯(lián)機(jī)器人的速度性能和加速度性能與裝配構(gòu)型之間的關(guān)系。利用位置分析得到了并聯(lián)機(jī)器人的全部裝配構(gòu)型,引入速度性能和加速度性能評價指標(biāo)對各種裝配構(gòu)型進(jìn)行性能分析。推導(dǎo)出基于機(jī)構(gòu)一階Jacobian影響系數(shù)矩陣和二階Hessian影響系數(shù)矩陣的運(yùn)動學(xué)性能指標(biāo),并將抽象的性能指標(biāo)用曲線的形式描繪在平面上形成直觀的性能圖譜。結(jié)合并聯(lián)機(jī)器人的工作空間分析、奇異位形分析,得出了具有最優(yōu)機(jī)構(gòu)運(yùn)動

3、學(xué)性能的裝配構(gòu)型。避免了并聯(lián)機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中的盲目性,有利于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人高精度的軌跡跟蹤。
　　 建立了交流伺服電機(jī)冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)電耦合動力學(xué)模型。首先利用拉格朗日方程得到三個開鏈機(jī)構(gòu)的動力學(xué)方程,在末端執(zhí)行器處施加約束得到并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型。用這種方法簡化了建模過程,可以利用已經(jīng)研究成熟的二桿開鏈機(jī)構(gòu)的動力學(xué)模型,從而實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的快速建模。其次,利用矢量控制技術(shù),建立了交流永磁同步伺服電機(jī)的動力學(xué)模型。然后,根據(jù)

4、力矩匹配的原則,聯(lián)立并聯(lián)機(jī)構(gòu)和交流伺服電機(jī)的動力學(xué)模型,得到整個并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的機(jī)電耦合動力學(xué)模型。最后,通過對并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行的動力學(xué)分析,得到了并聯(lián)機(jī)器人末端執(zhí)行器的軌跡跟蹤效果圖、三個主動關(guān)節(jié)的角位移和交流伺服電機(jī)q軸電流的變化規(guī)律。
　　 利用非線性PID的大范圍穩(wěn)定和對角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性逼近能力,設(shè)計(jì)了非線性PID控制與對角遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的新型智能復(fù)合控制器。通過比較三種不同控制策略,即PID控制、神經(jīng)網(wǎng)

5、絡(luò)自整定PID控制和新型智能復(fù)合控制對并聯(lián)機(jī)器人軌跡跟蹤控制效果的影響,說明所設(shè)計(jì)的新型智能復(fù)合控制器無論是對存在初始位置誤差的圓軌跡進(jìn)行跟蹤,還是對梯形速度規(guī)劃下的直線軌跡進(jìn)行跟蹤,都具有較好的控制效果。研究發(fā)現(xiàn),新型智能復(fù)合控制器能夠克服單一控制方法的不足,魯棒性強(qiáng),從而有利于提高軌跡跟蹤的精度。
　　 針對并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)行過程中的外部擾動,提出了兩種用于機(jī)器人軌跡跟蹤的滑模變結(jié)構(gòu)控制策略,即Terminal滑?？刂坪蜕窠?jīng)滑模

6、控制。Terminal滑?？刂茖ν饨鐢_動具有較強(qiáng)的抑制能力,而且通過設(shè)定不同的Terminal時間可以實(shí)現(xiàn)不同的收斂速度。神經(jīng)滑?？刂朴行б种屏顺Ｒ?guī)滑模控制的抖振,即使存在系統(tǒng)參數(shù)誤差和外界擾動等非線性不確定性因素的影響,仍能實(shí)現(xiàn)對期望軌跡的理想跟蹤。
　　 對平面二自由度冗余驅(qū)動并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了動力學(xué)性能及軌跡跟蹤控制實(shí)驗(yàn)。進(jìn)行了并聯(lián)機(jī)器人振動及頻率特性測試,驗(yàn)證了考慮交流永磁同步伺服電動機(jī)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)的相互作用所建立的機(jī)電耦合