球面2-DOF冗余驱动并联机构运动学标定及控制研究

发布时间：2020-08-09 02:56

【摘要】：球面2-DOF冗余驱动并联机构工作空间是以各转动副轴线交点为球心的球面,且在工作空间内无奇异点存在,可用于多场景的球面云台、球面定位等。因此要求本机构必须具备较高的运动精度。本文以此为背景,从机构的运动学、误差模型、标定、动力学、伺服驱动系统、控制策略及摄像机标定、手眼标定等方面展开研究,主要研究内容如下:首先,基于球面机构各杆件存在的空间约束,对球面2-DOF冗余驱动并联机构的运动学反解、速度和加速度进行分析;采用矩阵法建立机构误差模型并化简为标定模型,设计标定流程,为标定实验奠定基础;采用Language法建立机构动力学模型,求解机构驱动力,在SimMechanics中搭建机构刚体模型进行仿真验证。其次,在机构末端安装工业摄像机,引入单目视觉“手眼”系统,用于检测机构末端位置信息;基于针孔模型建立摄像机成像几何模型,并利用张氏标定法进行摄像机标定实验,求解出摄像机的内外参数;采用Tsai两步法进行手眼标定实验,建立摄像机坐标系与机构坐标系间的变换关系;此外,为提高图像质量,过滤垃圾信息,对中值滤波、均值滤波、高斯滤波三种图像去噪方法滤波效果进行比较,选择一种合适的滤波方法对上述实验图像进行预处理。再次,研究机构伺服驱动系统,为实现对电机的解耦控制,在d-q坐标系下建立永磁同步电机数学模型;采用空间电压矢量控制代替正弦波脉宽调制,利用空间电压矢量切换产生圆形旋转磁场,为电机提供恒定转矩;设计基于PI速度控制器、滑模变结构速度控制器以及经过改进的滑模变结构速度控制器,建立三相永磁同步电机空间电压矢量闭环控制模型,对三种控制器下的速度跟踪效果进行对比分析。最后,基于球面机构样机、倍福控制器和工业摄像机搭建实验平台;对样机进行运动学标定实验,求解机构几何误差,修正反解模型结构参数,经过4次迭代实验后,对比标定前后机构末端运动精度,误差减小为原来的1 3;在SimMechanics中搭建机构本体模型,并作为模块在Simulink中与伺服驱动系统建立联合仿真模型;为进一步改善机构运动性能,设计基于同步协调器的力/位混合控制策略,对比非冗余驱动控制方式,进行机构轨迹跟踪仿真与实验研究。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH112
【图文】：

Gough 等[7]设计出一种可完成 年，Stewart[8]在 Gough 的研究成果基础上，出了被广泛应用的 Stewart 并联机构，并成，Stewart 并联机构作为热门研究课题，以构的研究中，有力的推动了该机构在理论与n 等[10]学者成功的将日益成熟的 Stewart 并工具参与到装备制造中去。随着并联机构的热潮一直延续至今并愈发火热，成为机域。锐的洞察力，作为国内最先一批对并联机验的研究中，1991 年，我国首台并联机构联机构理论研究取得突破性进展，天津大潜心研究，设计出了具有快速抓取功能的国内对并联机构研究的最高水平的代表。

第 1 章控机床领域得到很好的应用。图 1-3 为德国图 1-4 为德国 EMAG 公司设计研发的 VL领先地位。在特殊场景模拟领域，6UPS 作娱乐设施、海上航行等领域得到广泛应用器模拟、娱乐场景模拟、汽车驾驶模拟、

第 1 章控机床领域得到很好的应用。图 1-3 为德国图 1-4 为德国 EMAG 公司设计研发的 VL领先地位。在特殊场景模拟领域，6UPS 作娱乐设施、海上航行等领域得到广泛应用器模拟、娱乐场景模拟、汽车驾驶模拟、图 1-3 HERMLE 五轴加工中心

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本文编号：2786500