平面并联机构运动控制和解耦问题的研究

论文摘要

并联机构是机构学一个新的分支,其简单的结构、独特的刚度、超强的承载能力和良好的动态特性等优点使其受到广泛的关注和研究,并在航空航天、天文气象、重型工业机器人和医疗设备等关键领域和行业得到了应用。强耦合非线性的并联机构运动控制复杂,难于推广使用。因此,使其线性化和运动解耦,成为并联机构应用亟待解决的问题。针对已知主动件位姿求解某从动件位姿的运动分析问题,建立了三轴平面并联机构的运动正解模型,应用数学机械化的思想、双步QR方法分解和机构运动连续性条件求解了正解问题,并给出了并联机构正解模型的求解流程。三轴平面并联机构为Ⅲ级机构,针对其已知某从动件位姿求解主动件位姿的轨迹控制问题,将该并联机构降阶为三个低阶的Ⅱ级杆组,通过综合Ⅱ级杆组的奇异性来研究三轴并联机构轨迹控制问题。这种分解后再综合的分析方法避开了高阶Ⅲ级杆组分析的复杂性,得到了简单而有效的轨迹控制算法。机构的运动解耦是并联机构运动控制中亟待解决的问题。应用现代控制理论中相对放大系数法,提出了机构运动耦合度的定义,建立了机构结构解耦的优化模型。通过对该模型求解确定机构的构件尺寸参数,从而消除或弱化机构的运动耦合度,同时给出了机构结构解耦设计的一般方法。设计了三轴平面并联机构实验平台,依据运动正解算法和轨迹控制算法编写了控制软件,验证了并联机构运动正解算法和轨迹控制算法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.1.1 并联机构与串联机构的比较
• 1.1.2 并联机构的应用
• 1.2 国内外在并联机构的研究现状及分析
• 1.2.1 并联机构的实际应用发展
• 1.2.2 并联机构的理论研究进展
• 1.3 本文的研究内容
• 第2章 三轴并联机构运动模型建立和算法分析
• 2.1 三轴并联机构的运动正解分析
• 2.1.1 建立运动正解模型
• 2.1.2 位置方程组的简化
• 2.1.3 位置方程组的求解
• 2.2 三轴并联机构运动逆解分析和运动轨迹优化控制
• 2.2.1 三轴并联机构逆解运动模型
• 2.2.2 控制算法分析
• 2.2.3 陷阱函数的定义和构造
• 2.2.4 优化目标函数的构造
• 2.3 三轴并联机构的动力学建模和仿真
• 2.3.1 动力学的运动分析
• 2.3.2 系统动能的计算
• 2.3.3 广义力的确定
• 2.3.4 动力学微分方程
• 2.3.5 动力学微分方程的仿真
• 2.4 本章小结
• 第3章 机构运动耦合与解耦
• 3.1 机构运动耦合度
• 3.1.1 机构运动耦合度的描述
• 3.1.2 机构耦合度分析
• 3.2 运动解耦方法
• 3.2.1 算法解耦简介
• 3.2.2 结构解耦及分析
• 3.2.3 结构解耦计算
• 3.3 本章小结
• 第4章 并联机构的实验设计
• 4.1 并联机构平台设计
• 4.1.1 并联机构的运动尺度综合
• 4.1.2 控制电路方案设计
• 4.1.3 并联机构总体构成
• 4.2 并联机构实验软件设计
• 4.2.1 实验软件总体软件规划
• 4.2.2 插补方法及伺服控制卡的使用
• 4.3 软件编程使用和实验
• 4.3.1 软件的编程实现
• 4.3.2 并联机构软件主要功能
• 4.3.3 并联机构的实验验证
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢