氣缸-氣動(dòng)肌肉并聯(lián)平臺(tái)位姿控制研究.pdf

1、由于具有功率質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、清潔無(wú)污染、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，氣動(dòng)伺服并聯(lián)平臺(tái)在仿生及工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)機(jī)構(gòu)、減震平臺(tái)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。但由于氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的剛度較低，且具有明顯的非線性特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)伺服并聯(lián)平臺(tái)的位姿軌跡跟蹤控制仍是目前氣動(dòng)伺服技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。本論文以三自由度氣缸-氣動(dòng)肌肉并聯(lián)平臺(tái)為研究對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)高精度位姿軌跡跟蹤控制為主要目標(biāo)，使用理論-仿真-實(shí)驗(yàn)三者相結(jié)合的研究方法，首先對(duì)該氣動(dòng)并

2、聯(lián)平臺(tái)系統(tǒng)進(jìn)行精確的建模分析，進(jìn)而深入研究該氣動(dòng)伺服并聯(lián)平臺(tái)的位姿軌跡跟蹤控制策略和多平臺(tái)同步控制方法。
　　為實(shí)現(xiàn)氣動(dòng)伺服并聯(lián)平臺(tái)的高精度軌跡跟蹤控制，本論文首先對(duì)氣動(dòng)肌肉的力學(xué)特性進(jìn)行了建模分析和試驗(yàn)研究，進(jìn)而設(shè)計(jì)了動(dòng)態(tài)剛度與平臺(tái)位姿控制相互分離的三自由度氣缸-氣動(dòng)肌肉并聯(lián)平臺(tái)，在仿真模型上進(jìn)行了基于反步法的自適應(yīng)魯棒控制器設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)并聯(lián)平臺(tái)無(wú)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解解析解的特點(diǎn)，首先設(shè)計(jì)了位姿解算器根據(jù)氣動(dòng)肌肉長(zhǎng)度對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位

3、姿進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值求解計(jì)算，進(jìn)而在工作空間中設(shè)計(jì)了積分式自適應(yīng)魯棒控制器對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行軌跡跟蹤控制。同時(shí)，在關(guān)節(jié)空間中將交叉耦合控制策略和自適應(yīng)魯棒控制理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)了積分式交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器完成對(duì)并聯(lián)平臺(tái)的位姿軌跡跟蹤控制。實(shí)驗(yàn)證明，兩種控制器均有較高的位姿軌跡跟蹤控制精度，同時(shí)具有在線參數(shù)辨識(shí)能力和控制魯棒性。此外針對(duì)多個(gè)相同結(jié)構(gòu)并聯(lián)平臺(tái)的同步控制需求，本文設(shè)計(jì)了分體式交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器以減小同步控制誤差并增加控制器柔性。

4、
　　本論文分為七個(gè)章節(jié)，現(xiàn)將各章內(nèi)容分述如下:
　　第一章，詳細(xì)闡述了課題的研究背景，指出氣缸-氣動(dòng)肌肉的高精度位姿軌跡跟蹤控制及多平臺(tái)位姿同步控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和研究?jī)r(jià)值;簡(jiǎn)要總結(jié)了氣動(dòng)伺服控制領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀;最后概括了本課題的研究意義、研究難點(diǎn)和主要研究?jī)?nèi)容。
　　第二章，對(duì)氣動(dòng)肌肉的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，在力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了對(duì)現(xiàn)有力學(xué)模型的修正方式，并通過(guò)填充金屬絲的方式減小氣動(dòng)肌肉的慢時(shí)變特性。在此

5、基礎(chǔ)上，本章設(shè)計(jì)了氣缸-氣動(dòng)肌肉并聯(lián)伺服平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣路系統(tǒng)和伺服控制器，完成結(jié)構(gòu)上的參數(shù)匹配，并選擇合適的元器件搭建了氣動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。
　　第三章，首先對(duì)氣缸-氣動(dòng)肌肉并聯(lián)平臺(tái)的動(dòng)力學(xué)特性與各控制閥和執(zhí)行器進(jìn)行建模分析，并在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型進(jìn)行仿真分析。在此基礎(chǔ)上，本文采用氣缸與氣動(dòng)肌肉控制相對(duì)獨(dú)立的控制策略，針對(duì)氣動(dòng)肌肉強(qiáng)耦合、高度非線性的力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)魯棒控制器對(duì)并聯(lián)平臺(tái)

6、進(jìn)行位姿軌跡跟蹤控制。仿真結(jié)果證明該控制器能夠獲得高精度的平臺(tái)位姿控制效果，并且具有在線參數(shù)辨識(shí)能力和控制魯棒性。
　　第四章，由于所控制并聯(lián)平臺(tái)無(wú)運(yùn)動(dòng)學(xué)正解解析解，首先設(shè)計(jì)了基于擬牛頓法的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)位姿解算器，并在仿真實(shí)驗(yàn)中證明其有效性。根據(jù)氣動(dòng)肌肉的慢時(shí)變力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了積分式直接-間接自適應(yīng)魯棒控制器，在間接自適應(yīng)觀測(cè)部分使用最小二乘自適應(yīng)觀測(cè)器對(duì)未建模力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行在線辨識(shí)，并對(duì)所設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行了穩(wěn)定性理論證明。在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)

7、證了所設(shè)計(jì)積分式自適應(yīng)魯棒控制器和自適應(yīng)觀測(cè)器的有效性;將其與傳統(tǒng)自適應(yīng)魯棒控制器的控制效果相對(duì)比，得出所設(shè)計(jì)控制器具有較高控制精度的結(jié)論，并對(duì)控制器的普遍適用性和魯棒性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　第五章，為避免使用會(huì)占用較多控制器計(jì)算資源的位姿解算器，在關(guān)節(jié)空間中設(shè)計(jì)了一種積分式交叉耦合直接-間接自適應(yīng)魯棒控制器，根據(jù)交叉耦合控制策略使用同步誤差替代關(guān)節(jié)空間位姿誤差，設(shè)計(jì)最小二乘法在線參數(shù)辨識(shí)觀測(cè)器進(jìn)行觀測(cè)和補(bǔ)償，并對(duì)所設(shè)計(jì)控制器的穩(wěn)

8、定性進(jìn)行了理論證明。為驗(yàn)證控制器各部分有效性，設(shè)計(jì)了一系列控制器并在實(shí)驗(yàn)中對(duì)其軌跡跟蹤控制性能加以測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)積分式交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器具有很高的控制精度與較好的魯棒性，與其他控制器的對(duì)照實(shí)驗(yàn)可以證明交叉耦合控制策略及反饋積分項(xiàng)的有效性。
　　第六章，為提高多平臺(tái)同步位姿軌跡跟蹤控制中的同步控制精度，本章首先針對(duì)具有相同結(jié)構(gòu)的雙并聯(lián)平臺(tái)設(shè)計(jì)了雙平臺(tái)交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器，證明了所設(shè)計(jì)控制器的理論穩(wěn)定性，進(jìn)而使用

9、分體式設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)了多平臺(tái)交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器。在仿真實(shí)驗(yàn)中對(duì)所設(shè)計(jì)雙平臺(tái)及多平臺(tái)控制器的有效性和交叉耦合控制策略的作用進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，本章所設(shè)計(jì)的交叉耦合控制策略能夠顯著減小各平臺(tái)間的同步控制誤差;所設(shè)計(jì)交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器能夠?qū)纹脚_(tái)控制誤差及多平臺(tái)同步控制誤差進(jìn)行同時(shí)鎮(zhèn)定，并且具有自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)能力和控制魯棒性。
　　第七章，對(duì)本論文的主要工作內(nèi)容，研究結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，并對(duì)未來(lái)的研究工作和研究方