混合驅(qū)動(dòng)兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)與控制研究.pdf

1、混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用兩種不同類型的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，即普通常速電機(jī)和伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)一個(gè)兩自由度機(jī)構(gòu)實(shí)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(jī)器和先進(jìn)柔性機(jī)器人之間搭建了一個(gè)中間平臺(tái)。既具有機(jī)器人的柔性，又具有傳統(tǒng)非柔性機(jī)器大功率低成本的優(yōu)點(diǎn)，因此對(duì)于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 本文對(duì)混合驅(qū)動(dòng)兩自由度并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的理論研究，綜述了混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)及發(fā)展?fàn)顩r，分析了混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究現(xiàn)狀，闡述

2、了智能控制技術(shù)在并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制中的研究與應(yīng)用。研究?jī)?nèi)容主要包括：混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、機(jī)電耦合動(dòng)力學(xué)模型建立、混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、雙伺服驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的復(fù)合智能控制研究及兩自由度冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)研究。 混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析是研究混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)。為了研究機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中各個(gè)桿件及電機(jī)之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，必須建立運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。利用雅可比矩陣，分析了機(jī)構(gòu)各參數(shù)對(duì)混

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

4、路徑實(shí)現(xiàn)問(wèn)題。 動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析與綜合的基礎(chǔ)，建立動(dòng)力學(xué)模型是進(jìn)行機(jī)構(gòu)動(dòng)力性能評(píng)價(jià)和實(shí)時(shí)控制的必要條件。利用拉格朗日方程推導(dǎo)出機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，動(dòng)力學(xué)方程利用獨(dú)立輸入角度來(lái)表示且寫成類似于開(kāi)鏈機(jī)械手動(dòng)力學(xué)方程的形式，不僅便于分析動(dòng)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(guò)力矩傳遞把機(jī)械結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型和電機(jī)動(dòng)力學(xué)模型聯(lián)立，建立了包含電機(jī)特性的機(jī)電系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)模型。通過(guò)對(duì)混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比研究，

5、可以得出建立的動(dòng)力學(xué)模型是正確的，為混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)軌跡跟蹤控制打下了基礎(chǔ)。由于混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型的復(fù)雜性和常速電機(jī)的不可控性，針對(duì)該類機(jī)構(gòu)進(jìn)行的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究是個(gè)難題。在對(duì)混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究時(shí)，常速電機(jī)的特性不是用伺服電機(jī)來(lái)模擬的，而是考慮一個(gè)真實(shí)的常速電機(jī)特性，即常速電機(jī)存在速度波動(dòng)，同時(shí)力矩不可控。動(dòng)力學(xué)模型中兩個(gè)驅(qū)動(dòng)桿之間存在著耦合性，常速電機(jī)速度波動(dòng)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(shí)現(xiàn)兩個(gè)電機(jī)

6、的角位移的精確跟蹤對(duì)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(jī)速度波動(dòng)和不可控特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合混合驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)，同時(shí)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)混合驅(qū)動(dòng)機(jī)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(jī)的速度波動(dòng)轉(zhuǎn)移到伺服電機(jī)的軌跡上，利用伺服電機(jī)可控的特點(diǎn)重新對(duì)伺服電機(jī)的理想運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行調(diào)整，這樣就補(bǔ)償了由常速電機(jī)速度波動(dòng)給末端執(zhí)行器軌跡帶來(lái)的誤差。通過(guò)控制伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)末端執(zhí)行器理想軌跡的跟蹤，

7、最大限度減少常速電機(jī)的速度波動(dòng)帶來(lái)的不利影響。 研究了雙伺服驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)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(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對(duì)其控制性能提出了越來(lái)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(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)中。各種控制方法都有其優(yōu)勢(shì)，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(zhǎng)補(bǔ)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)