平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的控制策略及其性能研究.pdf

1、由于擁有多條運(yùn)動(dòng)鏈，并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)要比傳統(tǒng)的串聯(lián)機(jī)器人復(fù)雜得多，這使得并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)關(guān)系都非常復(fù)雜，而多條運(yùn)動(dòng)鏈對(duì)末端執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)操作，更是給并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制提出了挑戰(zhàn)。本論文以一個(gè)平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象，從力矩傳遞性能、摩擦力補(bǔ)償和控制器設(shè)計(jì)三個(gè)方面，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行了理論研究和實(shí)驗(yàn)研究，主要內(nèi)容可歸納如下： (1)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)反解，以速度雅克比矩陣條件數(shù)為指標(biāo)，全面地研究了平面二自由

2、度并聯(lián)機(jī)器人的力矩傳遞性能與運(yùn)動(dòng)位形之間的關(guān)系，得到了最優(yōu)的運(yùn)動(dòng)位形。 (2)針對(duì)平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人中的非線性摩擦力，將一個(gè)包含指數(shù)函數(shù)的非線性模型用于該并聯(lián)機(jī)器人的摩擦力建模，提出了一種非線性摩擦力補(bǔ)償方法，通過(guò)實(shí)際的軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)將所提出的摩擦力補(bǔ)償方法與現(xiàn)有的摩擦力補(bǔ)償方法進(jìn)行了對(duì)比研究。 (3)將非線性PD(nonlinear PD，NPD)控制分別與機(jī)器人中典型的增廣PD控制器與計(jì)算力矩控制器相結(jié)合，提出了兩

3、種NPD型動(dòng)力學(xué)控制器-增廣NPD控制器和計(jì)算力矩NPD控制器，將這兩種新的控制器用于平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的控制，理論上證明了閉環(huán)系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。在并聯(lián)機(jī)器人的實(shí)際軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)中，將所提出的兩種控制器與典型的兩種控制器進(jìn)行了對(duì)比研究。 (4)設(shè)計(jì)了一種工作空間的非線性自適應(yīng)控制器，用于平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制。采用梯度下降算法推導(dǎo)了參數(shù)自適應(yīng)律，基于增廣PD控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)控制律，運(yùn)用Lyapunov方法證

4、明了所提出的非線性自適應(yīng)控制器的穩(wěn)定性，并且利用Barbalat引理進(jìn)一步證明了末端執(zhí)行器的位置誤差和速度誤差將同時(shí)收斂到零。最后將所設(shè)計(jì)的控制器用于實(shí)際平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了深入分析。 (5)針對(duì)并聯(lián)機(jī)器人多運(yùn)動(dòng)鏈之間的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)這一難題，基于同步控制思想，提出了兩種同步控制器用于平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的控制。首先提出了主動(dòng)關(guān)節(jié)同步(Active Joint-Synchronization，AJ-

5、S)控制器，在主動(dòng)關(guān)節(jié)空間中推導(dǎo)了并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，運(yùn)用同步控制思想，基于此模型設(shè)計(jì)出了AJ-S控制律，并且理論證明了并聯(lián)機(jī)器人系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性，最后把所提出的AJ-S控制器用于實(shí)際平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的軌跡跟蹤控制。在設(shè)計(jì)AJ-S控制器時(shí)，需要考慮各支鏈間約束力的影響，而計(jì)算約束力時(shí)用到的加速度信號(hào)難以準(zhǔn)確獲得。因此，進(jìn)一步提出了輪廓誤差同步(Contour Error-Synchronization，CE-S)控制器，首先引