冗余链驱动的并联机构动力学及控制方法研究

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并联机构具有高速、高精度的特点,最早被用于液压实验台、航天航海模拟器,并很快用作机床和机器人的执行机构。目前并联机构在越来越多的领域得到了应用,其中高速IC封装设备的焊头机构改用并联机构以提高速度和精度是一个新的应用。由于IC封装过程具有高速、高加速度、耦合性强等特性,在其中应用作为复杂多体系统的并联机构增加了控制复杂性。因此研究建立并联机构动力学模型的高效、简洁、通用的方法,并进而提出并联机构控制的有效算法,对促进并联机构在高速IC封装设备上的应用有重要意义。 为适应高速、高精度运动的要求,本文提出采用冗余支链形式的冗余驱动来提高并联机构刚度、消除奇异点。针对冗余链驱动的并联机构,论文提出基于广义的变分原理的并联机构动力学建模方法,并将其应用于冗余链驱动的并联机构的动力学建模,在此基础上研究适合于冗余链驱动的并联机构的位置控制和力/位复合控制算法,从而为并联机构的高速、高精度控制提供理论与方法基础。 为了评价冗余链驱动的并联机构的动态性能,论文提出采用动态加速度对应的刚度矩阵的奇异数作为考核并联机构动态性能的动力性能指标,将冗余链驱动的并联机构与几种典型的串联和并联机构作对照,对所定义的动力性能指标以及静刚度、动刚度进行了分析和仿真。结果显示了冗余链并联机构具有良好的动态性能,说明可以通过冗余链驱动提高机构加速能力。 针对目前并联机构繁琐的动力学建模方法以及冗余链并联机构支链较多但结构雷同的特点,本文提出了基于广义的变分原理的并联机构动力学建模方法,该方法概念清晰,可消除中间变量,简化了建模过程。论文以冗余链驱动的平面并联机构为例建立了动力学模型,给出了详细的建模过程,并应用该方法建立了6腿空间并联机构的动力学模型,说明了该方法的有效性和通用性。另外论文基于微分几何的观点解释了所建的并联机构动力学模型,并将其分解到切空间和余切空间,这种空间分解可指导并联机构的控制器的设计。 并联机构杆件的弹性变形会引起末端执行器的位置偏差,针对此问题,论文提出使用冗余支链形式的冗余驱动来降低末端执行器的弹性振动,应用运动弹性动力学(KED)分析方法建立了冗余链驱动的并联机构动力学模型,并以末端振动量二次型的最小化为优化目标,求解出冗余驱动力矩。仿真结果表明这种方法既可保持并联机构将驱动元件固定在机架上安装、惯量小的优点,又可大幅度降低弹性振动,从而提高位置控制精度。 对于冗余链驱动的并联机构的位置控制问题,论文在分析一般并联机构的位置控制方法的基础上,提出了一种改进的自适应前馈控制算法来控制冗余链驱动的并联机构,这一算法不需要主动铰的显式表达模型,无需求解耗时的并联机构正向运动学问题,从而简化了计算过程,加快了执行速度。另外,针对机构工作时的接触力控制问题,论文提出了在铰链空间内使用PI力控制和前馈位置控制相结合的力/位复合控制方法。仿真结果表明,所提出的力/位复合控制方法不仅能控制接触外力,也能够控制冗余并联机构各支链间的约束内力,可实现机构的平稳运行。论文第六章使用前面章节分析过的平面冗余链驱动的并联机构平台进行了控制实验。通过对多种控制方法的验证性实验,结果表明本文提出的改进的自适应控制算法可实现较高的轨迹跟踪精度。
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