冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)及控制方法研究.pdf

1、并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有高速、高精度的特點(diǎn)，最早被用于液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)、航天航海模擬器，并很快用作機(jī)床和機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前并聯(lián)機(jī)構(gòu)在越來越多的領(lǐng)域得到了應(yīng)用，其中高速IC封裝設(shè)備的焊頭機(jī)構(gòu)改用并聯(lián)機(jī)構(gòu)以提高速度和精度是一個(gè)新的應(yīng)用。由于IC封裝過程具有高速、高加速度、耦合性強(qiáng)等特性，在其中應(yīng)用作為復(fù)雜多體系統(tǒng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)增加了控制復(fù)雜性。因此研究建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的高效、簡潔、通用的方法，并進(jìn)而提出并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制的有效算法，對(duì)促進(jìn)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在高速IC封

2、裝設(shè)備上的應(yīng)用有重要意義。 為適應(yīng)高速、高精度運(yùn)動(dòng)的要求，本文提出采用冗余支鏈形式的冗余驅(qū)動(dòng)來提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)剛度、消除奇異點(diǎn)。針對(duì)冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，論文提出基于廣義的變分原理的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法，并將其應(yīng)用于冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模，在此基礎(chǔ)上研究適合于冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置控制和力／位復(fù)合控制算法，從而為并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高速、高精度控制提供理論與方法基礎(chǔ)。 為了評(píng)價(jià)冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，論文提出采

3、用動(dòng)態(tài)加速度對(duì)應(yīng)的剛度矩陣的奇異數(shù)作為考核并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能的動(dòng)力性能指標(biāo)，將冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)與幾種典型的串聯(lián)和并聯(lián)機(jī)構(gòu)作對(duì)照，對(duì)所定義的動(dòng)力性能指標(biāo)以及靜剛度、動(dòng)剛度進(jìn)行了分析和仿真。結(jié)果顯示了冗余鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有良好的動(dòng)態(tài)性能，說明可以通過冗余鏈驅(qū)動(dòng)提高機(jī)構(gòu)加速能力。 針對(duì)目前并聯(lián)機(jī)構(gòu)繁瑣的動(dòng)力學(xué)建模方法以及冗余鏈并聯(lián)機(jī)構(gòu)支鏈較多但結(jié)構(gòu)雷同的特點(diǎn)，本文提出了基于廣義的變分原理的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模方法，該方法概念清晰，可消除中

4、間變量，簡化了建模過程。論文以冗余鏈驅(qū)動(dòng)的平面并聯(lián)機(jī)構(gòu)為例建立了動(dòng)力學(xué)模型，給出了詳細(xì)的建模過程，并應(yīng)用該方法建立了6腿空間并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型，說明了該方法的有效性和通用性。另外論文基于微分幾何的觀點(diǎn)解釋了所建的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，并將其分解到切空間和余切空間，這種空間分解可指導(dǎo)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制器的設(shè)計(jì)。 并聯(lián)機(jī)構(gòu)桿件的彈性變形會(huì)引起末端執(zhí)行器的位置偏差，針對(duì)此問題，論文提出使用冗余支鏈形式的冗余驅(qū)動(dòng)來降低末端執(zhí)行器的彈性振動(dòng)，

5、應(yīng)用運(yùn)動(dòng)彈性動(dòng)力學(xué)（KED）分析方法建立了冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，并以末端振動(dòng)量二次型的最小化為優(yōu)化目標(biāo)，求解出冗余驅(qū)動(dòng)力矩。仿真結(jié)果表明這種方法既可保持并聯(lián)機(jī)構(gòu)將驅(qū)動(dòng)元件固定在機(jī)架上安裝、慣量小的優(yōu)點(diǎn)，又可大幅度降低彈性振動(dòng)，從而提高位置控制精度。 對(duì)于冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置控制問題，論文在分析一般并聯(lián)機(jī)構(gòu)的位置控制方法的基礎(chǔ)上，提出了一種改進(jìn)的自適應(yīng)前饋控制算法來控制冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)，這一算法不需要主動(dòng)鉸的顯

6、式表達(dá)模型，無需求解耗時(shí)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)正向運(yùn)動(dòng)學(xué)問題，從而簡化了計(jì)算過程，加快了執(zhí)行速度。另外，針對(duì)機(jī)構(gòu)工作時(shí)的接觸力控制問題，論文提出了在鉸鏈空間內(nèi)使用PI力控制和前饋位置控制相結(jié)合的力／位復(fù)合控制方法。仿真結(jié)果表明，所提出的力／位復(fù)合控制方法不僅能控制接觸外力，也能夠控制冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)各支鏈間的約束內(nèi)力，可實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的平穩(wěn)運(yùn)行。論文第六章使用前面章節(jié)分析過的平面冗余鏈驅(qū)動(dòng)的并聯(lián)機(jī)構(gòu)平臺(tái)進(jìn)行了控制實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)多種控制方法的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明