高速輕型并聯(lián)機(jī)器人集成優(yōu)化設(shè)計(jì)與控制.pdf

1、并聯(lián)機(jī)器人以其大負(fù)載自重比、高剛度及高精度等優(yōu)點(diǎn)被廣泛用。隨著現(xiàn)代工業(yè)中對生產(chǎn)效率要求的不斷提高，并聯(lián)機(jī)器人已被越來越多地應(yīng)用于高速磨削、搬運(yùn)及裝配中，同時(shí)為降低機(jī)器人的生產(chǎn)成本及減少能源消耗，考慮輕量化的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法已逐漸應(yīng)用于機(jī)器人的研制中。在高速運(yùn)行工況下，輕量化的結(jié)構(gòu)通常會引入彈性變形與振動(dòng)，當(dāng)采用傳統(tǒng)針對剛性機(jī)器人的分析及控制方法時(shí)，將無法保證機(jī)器人的跟蹤精度和動(dòng)態(tài)性能。為解決并聯(lián)機(jī)器人在高速運(yùn)行時(shí)存在的共性問題，本文以具有典

2、型結(jié)構(gòu)的3RRR并聯(lián)機(jī)器人為對象，開展了面向控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的并聯(lián)機(jī)器人剛?cè)狁詈蟿?dòng)力建模；綜合機(jī)構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)與傳統(tǒng)部件參數(shù)匹配及控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整于一體的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于模型的軌跡優(yōu)化及控制研究，并進(jìn)行了性能測試與實(shí)驗(yàn)研究。
　　首先對3RRR并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)與剛體動(dòng)力學(xué)建模，以此為基礎(chǔ)，從歐拉梁的基本假設(shè)出發(fā)，考慮桿件端部的剛性特征，采用曲率有限元（CFE,Curvature based finite element）對桿件進(jìn)行

3、離散化建模，并推導(dǎo)并聯(lián)機(jī)器人桿件中常用的懸臂梁及簡支梁模型，從而考慮桿件端部剛性提出改進(jìn)的曲率有限元（ICFE,improved curvature based finite element）方法。根據(jù)推導(dǎo)的桿件模型及小變形假設(shè)，提出桿件彈性位移與機(jī)器人剛體耦合運(yùn)動(dòng)的建模方法。根據(jù)上述模型并結(jié)合Kane方程建立3RRR并聯(lián)機(jī)構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型。為對推導(dǎo)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行驗(yàn)證，分別對模態(tài)與加速度響應(yīng)進(jìn)行分析，并將推導(dǎo)模型的計(jì)算值與ABA

4、QUS模仿真值進(jìn)行對比，同時(shí)根據(jù)模態(tài)分析對模型進(jìn)行簡化。結(jié)果顯示，隨著對桿件端部特征的考慮，模態(tài)分析與加速度響應(yīng)分析結(jié)果與ABAQUS仿真結(jié)果吻合度得到顯著提高，由于對模型的合理簡化且求解時(shí)避免了對剛?cè)狁詈线\(yùn)動(dòng)約束方程的迭代，本文推導(dǎo)的模型保證了較高的計(jì)算精度與計(jì)算效率。
　　為實(shí)現(xiàn)高速并聯(lián)機(jī)器人良好的綜合性能，提出集機(jī)構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)部件參數(shù)匹配及控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整于一體的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。為適應(yīng)高速運(yùn)行要求，在機(jī)構(gòu)優(yōu)化時(shí)考慮全局

5、條件數(shù)、速度性能、加速能力及基頻等運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)指標(biāo)；為保證驅(qū)動(dòng)及傳動(dòng)部件的經(jīng)濟(jì)性及參數(shù)匹配，建立其約束模型及參數(shù)庫，并選擇成本為優(yōu)化目標(biāo)；為取得高精度的控制性能，設(shè)計(jì)了動(dòng)力學(xué)前饋加PD的控制算法，并選擇系統(tǒng)跟蹤誤差為優(yōu)化目標(biāo)。從而建立包含機(jī)構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)部件參數(shù)及控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化模型，并采非支配遺傳算法NSGAII對模型求解，最終完成對高速并聯(lián)機(jī)器人的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化結(jié)果表明，集成優(yōu)化設(shè)計(jì)有效提高了高速并聯(lián)機(jī)器人的綜合性能。<

6、br>　　為對高速并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行彈性位移（FD，flexible displacement）限制與殘余振動(dòng)（RV，Residue vibration）抑制，本文從軌跡規(guī)劃的角度出發(fā)，考慮桿件柔性，對給定軌跡與點(diǎn)到點(diǎn)快速定位兩種情況下的殘余振動(dòng)抑制與彈性位移限制問題進(jìn)行研究。針對給定軌跡時(shí)的殘余振動(dòng)抑制問題，考慮到并聯(lián)機(jī)器人各階頻率隨位置改變的特點(diǎn)，將多模態(tài)輸入整形（IS,Input shaping）與粒子群優(yōu)化（PSO,Particle

7、 swarm optimization）及控制相結(jié)合，建立以殘余振動(dòng)為優(yōu)化目標(biāo)，以多模態(tài)輸入整形器參數(shù)為優(yōu)化變量的優(yōu)化模型，并利用PSO對控制模型進(jìn)行離線優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的整形器可對殘余振動(dòng)進(jìn)行顯著的抑制，且隨著整形器數(shù)目的增加，殘余振動(dòng)進(jìn)一步減小，同時(shí)避免了現(xiàn)有方法對整形器參數(shù)實(shí)時(shí)更新帶來的計(jì)算量大的問題。對于快速點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，將時(shí)間最優(yōu)規(guī)劃與多模態(tài)輸入整形相結(jié)合，提出兩步優(yōu)化方法，首先采用分段偽譜法（GPM,Gauss ps

8、eudospectral method）對時(shí)間最優(yōu)問題進(jìn)行求解，之后采用多模態(tài)輸入整形對得到的軌跡進(jìn)行殘余振動(dòng)抑制，仿真結(jié)果表明，兩步優(yōu)化法實(shí)現(xiàn)了時(shí)間最優(yōu)時(shí)的殘余振動(dòng)抑制與彈性位移限制。
　　為解決含柔性環(huán)節(jié)高速輕型（HSLW,high-speed and light-weight）并聯(lián)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制問題，提出了基于積分流形與高增益觀測器的復(fù)合控制算法。首先根據(jù)剛度矩陣引入小參數(shù)，并基于積分流形將剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)模型降階為快速

9、與慢速兩個(gè)子系統(tǒng)，然后分別對兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制算法設(shè)計(jì)，對慢速子系統(tǒng)采用反演控制，同時(shí)考慮桿件彈性位移對末端軌跡的影響，設(shè)計(jì)校正力矩，實(shí)現(xiàn)了桿件彈性位移對機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)的彈性補(bǔ)償。對快速子系統(tǒng)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，從而保證流形成立。為解決曲率變化率無法直接測量的問題，引入高增益觀測器，并對穩(wěn)定性進(jìn)行證明。對于上述復(fù)合控制算法，證明了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行，并給出小參數(shù)的選取范圍。最后，為驗(yàn)證復(fù)合控制算法的有效性，將設(shè)計(jì)的算法與奇異攝動(dòng)及基于

10、剛體動(dòng)力學(xué)的反演控制算法進(jìn)行對比，仿真結(jié)果表明，本文提出的基于積分流形與觀測器的復(fù)合控制方法在振動(dòng)抑制與軌跡跟蹤方面均具有明顯的優(yōu)勢。
　　為對上述理論研究進(jìn)行驗(yàn)證，參考優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果對3RRR并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了本體設(shè)計(jì)及驅(qū)動(dòng)與傳動(dòng)部件選型，并采用工控機(jī)、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)及高速通訊總線的控制架構(gòu)設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)；采用激光跟蹤儀對機(jī)器人重復(fù)精度測試進(jìn)行測試；為對建模精度進(jìn)行驗(yàn)證，采用LMS振動(dòng)測試儀對系統(tǒng)進(jìn)行了模態(tài)測試與加速度響應(yīng)測試；本文最