新型3-DOF驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)建模及其滑?？刂蒲芯?pdf

1、農(nóng)業(yè)機(jī)器人技術(shù)水平是一個(gè)國家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)器人研究與應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)作業(yè)要求不斷提高，控制任務(wù)復(fù)雜度不斷增加，對農(nóng)業(yè)機(jī)器人及其控制提出了更高的性能要求。與構(gòu)成一般機(jī)器人常用的串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，理論上，并聯(lián)機(jī)構(gòu)具有承載能力強(qiáng)、定位精度高、末端構(gòu)件運(yùn)動(dòng)慣量小、無累積誤差且響應(yīng)速度快等諸多優(yōu)點(diǎn)，基于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人，可望在需要高速、高精度的農(nóng)業(yè)工程應(yīng)用場合進(jìn)一步提高現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機(jī)器人的操作性能。
　　本文

2、著重對并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，以為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)并聯(lián)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)工程中的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。從控制角度，并聯(lián)機(jī)構(gòu)是一個(gè)多變量、多參數(shù)耦合的復(fù)雜空間多鏈機(jī)構(gòu)，受機(jī)構(gòu)參數(shù)、未建模動(dòng)力學(xué)、負(fù)載擾動(dòng)、機(jī)構(gòu)關(guān)節(jié)和伺服摩擦及外界干擾等不確定因素的影響，傳統(tǒng)的控制策略難以獲得預(yù)期的控制效果，基于動(dòng)力學(xué)模型的控制能夠滿足并聯(lián)機(jī)構(gòu)的高性能控制要求，但與串聯(lián)機(jī)構(gòu)相比，并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型通常較為復(fù)雜，因此，有必要研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)建模及其控制問題。
　　基于并

3、聯(lián)機(jī)構(gòu)的農(nóng)業(yè)機(jī)器人在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用研究剛剛起步，由于并聯(lián)機(jī)構(gòu)的多樣性，目前尚未形成公認(rèn)有效的控制方法?？紤]滑?？刂撇恍枰_建立被控對象數(shù)學(xué)模型，對系統(tǒng)外部干擾和參數(shù)變化不敏感，且易于實(shí)現(xiàn)的特性，本文針對一種新型3-DOF驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)，研究探索多種滑?？刂品椒?，以尋求一種綜合性能較優(yōu)的控制方案，從而為該機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)工程中的實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。本文主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)針對新型驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)，為進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模及控制方法研

4、究，首先對該機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)特性和工作原理進(jìn)行分析，并確定機(jī)構(gòu)自由度;然后根據(jù)機(jī)構(gòu)3個(gè)位姿參數(shù)之間的約束關(guān)系，建立機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，并推導(dǎo)機(jī)構(gòu)的速度雅可比矩陣;最后對驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)的工作空間和奇異性進(jìn)行分析。
　　(2)對于并聯(lián)機(jī)構(gòu)，基于運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的控制策略未考慮機(jī)構(gòu)的非線性動(dòng)力學(xué)特性和各關(guān)節(jié)間的強(qiáng)耦合關(guān)系，往往控制精度不高，在高速運(yùn)行情況下甚至難以保證機(jī)構(gòu)控制的穩(wěn)定性，為此，本文研究采用基于動(dòng)力學(xué)模型的控制方法實(shí)現(xiàn)對并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制。由于

5、并聯(lián)機(jī)構(gòu)的閉鏈結(jié)構(gòu)以及各支鏈間的耦合作用，其精確動(dòng)力學(xué)模型往往難以建立且較為復(fù)雜，而對于基于動(dòng)力學(xué)模型的并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制方法，其控制效果直接取決于動(dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性，因此對于基于動(dòng)力學(xué)模型的控制方法，需要構(gòu)建盡可能準(zhǔn)確的動(dòng)力學(xué)模型。本文首先采用Lagrange方法建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)基于工作空間的動(dòng)力學(xué)模型，并借助最小2范數(shù)法研究進(jìn)行機(jī)構(gòu)工作空間的非約束等效廣義力到軸向驅(qū)動(dòng)力的優(yōu)化。為解決所建立動(dòng)力學(xué)模型用于并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制存在計(jì)算量大、實(shí)時(shí)性差等問題

6、，本文通過對機(jī)構(gòu)各主要構(gòu)件的驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行仿真分析，提出一種動(dòng)力學(xué)模型的簡化方法和基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)膭?dòng)力學(xué)模型補(bǔ)償方案，最后通過構(gòu)建PD仿真控制系統(tǒng)驗(yàn)證所建立具有誤差補(bǔ)償?shù)暮喕瘎?dòng)力學(xué)模型的準(zhǔn)確性及簡化補(bǔ)償方法的有效性。
　　(3)考慮到所建立動(dòng)力學(xué)模型耦合項(xiàng)計(jì)算負(fù)荷較重，對基于動(dòng)力學(xué)模型控制的控制系統(tǒng)快速性和實(shí)時(shí)性影響較大，此外，考慮到機(jī)構(gòu)冗余支鏈和非冗余支鏈的運(yùn)動(dòng)及控制具有一定的獨(dú)立性，本文首先嘗試設(shè)計(jì)了一種冗余支鏈采

7、用動(dòng)力學(xué)控制、非冗余支鏈采用運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的控制方案，以提高所研究并聯(lián)機(jī)構(gòu)的快速性和實(shí)時(shí)性。對于非冗余支鏈，設(shè)計(jì)了一種反演滑?？刂破?，并通過自適應(yīng)預(yù)估進(jìn)一步降低較大的系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外部干擾對滑模控制系統(tǒng)性能的不利影響。對于冗余支鏈，考慮到采用位置控制，當(dāng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)與非冗余支鏈間產(chǎn)生較大的內(nèi)力，致使桿件干涉變形甚至損壞，因此本文對冗余支鏈研究采用動(dòng)力學(xué)控制方式。
　　(4)基于上述冗余支鏈采用動(dòng)力學(xué)控制、非冗余支鏈采用運(yùn)

8、動(dòng)學(xué)控制的控制方法，由于未考慮非冗余支鏈各支路間的耦合作用，盡管一定程度上提高了并聯(lián)機(jī)構(gòu)的快速性和實(shí)時(shí)性，但降低了系統(tǒng)控制精度，為進(jìn)一步提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制精度，本文基于所建立簡化動(dòng)力學(xué)模型和滑模控制方法，研究設(shè)計(jì)一種基于同步耦合誤差的動(dòng)力學(xué)滑?？刂破鳎ㄟ^提高各支鏈間的同步協(xié)調(diào)性以進(jìn)一步提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)精度，其穩(wěn)定性通過李亞普諾夫方法進(jìn)行證明。
　　(5)上述基于同步耦合誤差的動(dòng)力學(xué)滑?？刂品椒?，可進(jìn)一步提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控

9、制精度，但其快速性和實(shí)時(shí)性有所降低。為尋求一種綜合性能較優(yōu)的控制方案，本文提出一種解耦非奇異終端滑?？刂品椒?，即:針對所建立并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，提取出各支路間的耦合作用力和重力項(xiàng)，將整體系統(tǒng)解耦為三個(gè)基于笛卡爾空間的完全獨(dú)立的線性子系統(tǒng)，并分別進(jìn)行各子系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)，以提高并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)的快速性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)，為保證其控制精度，通過引入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對交叉耦合力和重力項(xiàng)進(jìn)行在線補(bǔ)償。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的綜合性能，考慮到上述冗余支鏈采用

10、動(dòng)力學(xué)控制、非冗余支鏈采用運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的控制方法和同步耦合動(dòng)力學(xué)滑?？刂破?，其系統(tǒng)狀態(tài)無法在有限時(shí)間內(nèi)收斂至零，本文針對各個(gè)子系統(tǒng)，研究設(shè)計(jì)一種非奇異終端滑?？刂扑惴?，以提高控制系統(tǒng)的收斂速度。對比所提出冗余支鏈采用動(dòng)力學(xué)控制、非冗余支鏈采用運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的控制方法、同步耦合滑模控制方法、解耦非奇異終端滑?？刂品椒ǖ姆抡娼Y(jié)果表明，解耦非奇異終端滑?？刂破骶哂休^優(yōu)的綜合性能。
　　(6)基于3-DOF驅(qū)動(dòng)冗余并聯(lián)機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)平臺，以Visua

11、l C++軟件開發(fā)工具對本文所提出的冗余支鏈采用動(dòng)力學(xué)控制、非冗余支鏈采用運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的控制方法、基于同步耦合誤差的動(dòng)力學(xué)滑?？刂破骱徒怦罘瞧娈惤K端滑?？刂破鞣謩e進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證表明:與冗余支鏈采用動(dòng)力學(xué)控制、非冗余支鏈采用運(yùn)動(dòng)學(xué)控制的控制方法和基于同步耦合誤差的動(dòng)力學(xué)滑模控制器相比，所提出解耦非奇異終端滑?？刂破骶哂休^優(yōu)的綜合性能。
　　本文的研究工作為農(nóng)業(yè)并聯(lián)機(jī)器人的控制理論研究及并聯(lián)機(jī)構(gòu)在農(nóng)業(yè)工程中的實(shí)際應(yīng)用奠定了基