混合驅(qū)動兩自由度并聯(lián)機構(gòu)動力學(xué)與控制研究.pdf

1、混合驅(qū)動機構(gòu)采用兩種不同類型的驅(qū)動電機，即普通常速電機和伺服電機驅(qū)動，通過一個兩自由度機構(gòu)實現(xiàn)末端執(zhí)行器的柔性輸出。它的出現(xiàn)在傳統(tǒng)非柔性機器和先進柔性機器人之間搭建了一個中間平臺。既具有機器人的柔性，又具有傳統(tǒng)非柔性機器大功率低成本的優(yōu)點，因此對于混合驅(qū)動機構(gòu)的研究具有重要的理論意義和實用價值。 本文對混合驅(qū)動兩自由度并聯(lián)機構(gòu)進行了系統(tǒng)的理論研究，綜述了混合驅(qū)動機構(gòu)的特點及發(fā)展?fàn)顩r，分析了混合驅(qū)動機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計的研究現(xiàn)狀，闡述

2、了智能控制技術(shù)在并聯(lián)機構(gòu)控制中的研究與應(yīng)用。研究內(nèi)容主要包括：混合驅(qū)動機構(gòu)正運動學(xué)和逆運動學(xué)分析、機電耦合動力學(xué)模型建立、混合驅(qū)動機構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計、雙伺服驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)的復(fù)合智能控制研究及兩自由度冗余驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)軌跡跟蹤實驗研究。 混合驅(qū)動機構(gòu)的正運動學(xué)分析和逆運動學(xué)分析是研究混合驅(qū)動機構(gòu)動力學(xué)模型和控制系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ)。為了研究機構(gòu)運動過程中各個桿件及電機之間的運動關(guān)系，必須建立運動學(xué)模型。利用雅可比矩陣，分析了機構(gòu)各參數(shù)對混

3、合驅(qū)動機構(gòu)末端執(zhí)行器速度特性的影響。通過比較結(jié)構(gòu)參數(shù)、可調(diào)參數(shù)和可控參數(shù)對機構(gòu)末端速度特性影響的主次關(guān)系，找出了其中對速度影響較大的敏感參數(shù)。利用這些結(jié)論，可以減少機構(gòu)綜合優(yōu)化設(shè)計的盲目性，提高優(yōu)化效率。逆運動學(xué)求解的過程就是在給定末端執(zhí)行器的軌跡和常速電機的恒定速度條件下，確定伺服電機運動規(guī)律的過程。在建立逆運動學(xué)模型的過程中，必須把常速電機是勻速運動的這個特性考慮其中。因此建立的逆運動學(xué)模型包含了時間要素，這區(qū)別于單純機構(gòu)學(xué)研究中的

4、路徑實現(xiàn)問題。 動力學(xué)模型是進行動力學(xué)分析與綜合的基礎(chǔ)，建立動力學(xué)模型是進行機構(gòu)動力性能評價和實時控制的必要條件。利用拉格朗日方程推導(dǎo)出機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型，動力學(xué)方程利用獨立輸入角度來表示且寫成類似于開鏈機械手動力學(xué)方程的形式，不僅便于分析動力學(xué)模型，更方便了控制器的選擇和控制參數(shù)的確定。通過力矩傳遞把機械結(jié)構(gòu)動力學(xué)模型和電機動力學(xué)模型聯(lián)立，建立了包含電機特性的機電系統(tǒng)耦合動力學(xué)模型。通過對混合驅(qū)動機構(gòu)的實驗和仿真結(jié)果對比研究，

5、可以得出建立的動力學(xué)模型是正確的，為混合驅(qū)動機構(gòu)軌跡跟蹤控制打下了基礎(chǔ)。由于混合驅(qū)動機構(gòu)動力學(xué)模型的復(fù)雜性和常速電機的不可控性，針對該類機構(gòu)進行的控制系統(tǒng)設(shè)計研究是個難題。在對混合驅(qū)動機構(gòu)控制系統(tǒng)進行研究時，常速電機的特性不是用伺服電機來模擬的，而是考慮一個真實的常速電機特性，即常速電機存在速度波動，同時力矩不可控。動力學(xué)模型中兩個驅(qū)動桿之間存在著耦合性，常速電機速度波動引起的誤差最終將導(dǎo)致末端執(zhí)行器的軌跡跟蹤出現(xiàn)偏差。因此實現(xiàn)兩個電機

6、的角位移的精確跟蹤對于末端執(zhí)行器的軌跡跟蹤至關(guān)重要。本文根據(jù)常速電機速度波動和不可控特點，設(shè)計了適合混合驅(qū)動機構(gòu)的控制系統(tǒng)，同時采用滑模變結(jié)構(gòu)控制實現(xiàn)了對混合驅(qū)動機構(gòu)末端執(zhí)行器軌跡的精確跟蹤。采用新的迭代控制方法可以把常速電機的速度波動轉(zhuǎn)移到伺服電機的軌跡上，利用伺服電機可控的特點重新對伺服電機的理想運動軌跡進行調(diào)整，這樣就補償了由常速電機速度波動給末端執(zhí)行器軌跡帶來的誤差。通過控制伺服電機的運動軌跡，實現(xiàn)了對末端執(zhí)行器理想軌跡的跟蹤，

7、最大限度減少常速電機的速度波動帶來的不利影響。 研究了雙伺服驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)的復(fù)合智能控制策略，有效克服了系統(tǒng)的非線性和高耦合性。隨著并聯(lián)機構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的擴展，對其控制性能提出了越來越高的要求。由于經(jīng)典控制方法和現(xiàn)代控制方法存在許多不足，智能控制方法被引入了雙伺服驅(qū)動并聯(lián)機構(gòu)控制系統(tǒng)中。各種控制方法都有其優(yōu)勢，但也存在一定的局限性，因此將智能控制方法和傳統(tǒng)控制方法復(fù)合在一起，可以取長補短。本文將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制與傳統(tǒng)PID控制及滑模變結(jié)構(gòu)