六自由度冗余并联机构的多目标优化及解耦控制研究

发布时间：2020-11-19 17:27

　　 凭借着刚度大和承载力强等优势,并联机构常被用作运动模拟器、微动操作器等。但是,并联机构仍然在一些方面需要改进,首先,液压并联机构的能耗较高,其次并联机构在运行中耦合现象较为明显,严重的影响了机构的运行精度。针对这些问题,冗余并联机构的优点逐渐显现出来,冗余支腿能够平衡部分负载重力,减少了主液压支腿的能量消耗,成为了近期研究的热点;除此之外,针对不同目标的结构优化也配合冗余结构共同运用到并联机构上,使并联机构的性能得到提高。在控制算法上,工业中常用的PID控制策略易引起较严重的运动耦合现象,并联机构需要新的控制算法提高运动精度。本文的研究对象为六自由度冗余并联机构,开展了如下几方面的研究:1.基于机器人学理论,对六自由度冗余并联机构进行数学建模,并在此基础上建立动、静坐标系,推导坐标系间的变换矩阵。根据滑阀的流量方程和液压缸的连续性方程分析了液压缸的动力学特性,得出了液压缸和负载的力平衡方程。借助于Newton-Euler方程,分析了机构整体的运动学和动力学,推导了机构的雅可比矩阵,并完成了系统的运动学逆解求解。2.考虑并联机构最常见的几种典型运动,结合机构尺寸和参数与速度、驱动力和功率峰值的关系,确定优化目标及优化函数:综合速度、驱动力和功率峰值的多目标综合优化策略。借助于免疫遗传算法(Immune Genetic Algorithm,IGA),对机构的设计尺寸及相关参数进行了多目标的优化,使并联机构在满足使用条件的同时,拥有最优的运动学和动力学特性。最后与工业界成熟的产品进行对比仿真,观察优化效果。3.在MATLAB/Simulink中对整个系统进行构建:使用SimMechanics模块搭建冗余并联机构的可视化机械结构模型,在Simulink中搭建液压缸传递函数模型、运动学逆解模块和P控制模块。选取阶跃函数和各个自由度的正弦函数对系统的响应和曲线跟踪情况进行仿真测试,观察其运动效果和非目标自由度的运动耦合情况,并寻找各个情况下运动耦合现象的规律性。4.采用模态解耦理论,分析了并联机构的模态特性;推导了模态空间下的计算力矩控制表达式,并据此设计了计算力矩控制器。在MATLAB/Simulink中对系统进行各个自由度运动的仿真测试,并将结果与之前的P控制方案进行对比分析,总结模态空间下计算力矩控制对运动耦合现象的抑制作用。
【学位单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TH112
【文章目录】：
摘要
abstract
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景及意义
        1.1.1 课题背景
        1.1.2 课题研究目的与意义
    1.2 六自由度并联机构的发展概况
    1.3 国内外研究现状
        1.3.1 冗余并联机构
        1.3.2 运动学与动力学分析
        1.3.3 结构优化
        1.3.4 控制策略
    1.4 本文的主要研究内容
第二章 数学建模与动力学分析
    2.1 结构设计及数学建模
        2.1.1 冗余并联机构结构
        2.1.2 坐标系的建立
    2.2 运动学与动力学分析
        2.2.1 运动学分析
        2.2.2 单一液压支腿的动力学分析
        2.2.3 机构整体的动力学分析
    2.3 本章小结
第三章 基于免疫遗传算法的多目标结构优化设计
    3.1 优化目标及优化函数
        3.1.1 确定优化目标
        3.1.2 结构优化分析
        3.1.3 确定优化目标函数
    3.2 基于免疫遗传算法的结构优化
        3.2.1 免疫遗传算法介绍
        3.2.2 免疫遗传算法的实现过程
        3.2.3 优化仿真结果的对比分析
    3.3 本章小结
第四章 冗余并联机构的系统设计与耦合分析
    4.1 系统总体设计方案
    4.2 冗余并联机构机械系统仿真模型设计
        4.2.1 SimMechanics简介
        4.2.2 基于SimMechanics的机构仿真模型搭建
    4.3 液压驱动单元的仿真模型
    4.4 基于P控制的控制系统设计
    4.5 系统仿真结果与耦合分析
    4.6 本章小结
第五章 冗余并联机构模态空间的计算力矩控制策略
    5.1 模态特性分析
        5.1.1 模态解耦理论
        5.1.2 并联机构的模态解耦分析
    5.2 计算力矩控制策略
        5.2.1 计算力矩控制原理介绍
        5.2.2 模态空间下的计算力矩控制器设计
    5.3 模态空间下计算力矩控制策略的系统设计
    5.4 仿真结果对比分析
    5.5 本章小结
第六章 全文总结与展望
    6.1 全文工作总结
    6.2 后续工作及展望
致谢
参考文献
附录
    附录A 疫遗传优化算法的实现代码
攻读硕士学位期间取得的成果

【参考文献】

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本文编号：2890259