重载冗余六自由度并联机构优化设计

发布时间：2017-06-01 16:01

  本文关键词：重载冗余六自由度并联机构优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：并联机构在刚度、承载力、动态性等方面都具有很强的优势，，被广泛应用于运动模拟、并联运动机械、操作器、微动机构等领域。在不同的应用领域对并联机构的特性有不同的需求，当并联机构作为运动模拟器的运动输出部分时，往往需要承担很大的载荷，特别是在舰船模拟器、装甲车辆模拟器等一些大型设备的应用当中负载要求更为突出。因此，对如何提高并联机构的承载能力和驱动性能进行研究，对推动并联机构在运动模拟器行业的发展有着重要意义。本文提出了一种电动冗余六自由度并联机构的优化设计方法，在提升系统驱动能力的同时，又可避免液压驱动成本高、维护复杂的缺点。主要研究内容和结果如下： 提出了一种由六条电动支腿和三条气动冗余支腿共同作用的冗余并联机构，其中电动支腿为主动腿用于实现机构的各种运动，气动支腿为辅助腿以帮助电动支腿平衡平台及负载的重力作用。在没有冗余支撑时，重力做的功要由主动支腿来提供，有了冗余支撑后，由于冗余支撑是气弹簧，重力做的功与气弹簧的势能之间相互转换，可减小驱动电机的耗能。 对本文提出的冗余六自由度并联机构进行了运动学和动力学分析，采用牛顿—欧拉法得出了冗余并联机构的动力学方程。为了更好地提高系统性能，减小系统内部能量损耗，本文以降低主动支腿驱动力峰值为优化目标，冗余支腿上铰点圆周半径和冗余驱动力为变量，针对并联机构的6种单自由度运动情况、11种双自由度运动情况及两种典型运动工况进行了优化仿真，分析了主动支腿峰值力的变化情况。仿真结果显示，在冗余支腿输出推力为恒力的情况下，通过选取合适的上铰点圆周半径和冗余驱动力，可以有效的降低主动支腿驱动力的峰值。确定了冗余支腿上铰点坐标位置及其出力范围。为了验证优化结果的可行性，本文利用Matlab下的SimMechanics工具箱建立了冗余并联机构的仿真模型，对单自由度、双自由度等运动情况进行了优化结果的验证，仿真结果表明不同的运动情况下峰值力均有不同程度的降低，其降低幅度最小为17.2%，最大至57.63%。 本文采用模糊PID的控制方法实现了冗余六自由度并联机构的控制，以SimMechanics模型为控制对象搭建了控制系统，对系统的正弦跟踪特性及阶跃响应特性进行了仿真分析，结果表明模糊PID的控制方法应用于并联机构的控制过程中可取得比较理想的效果。
【关键词】：冗余驱动 动力学建模 模糊PID控制 优化设计
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH112
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 课题来源与研究意义10
• 1.2 并联机构概述10-17
• 1.2.1 并联机构的发展10-13
• 1.2.2 并联机构的特点13-14
• 1.2.3 并联机构的应用14-17
• 1.3 并联机构研究现状17-21
• 1.3.1 运动学与动力学分析18
• 1.3.2 控制策略18-20
• 1.3.3 冗余并联机构研究20-21
• 1.4 本文所做的主要工作21-22
• 第二章 运动学与动力学分析22-31
• 2.1 引言22
• 2.2 并联机构的结构及坐标系建立22-24
• 2.3 运动学反解24-26
• 2.4 动力学分析26-28
• 2.5 动力学仿真28-30
• 2.6 本章小结30-31
• 第三章 位置优化与驱动优化31-53
• 3.1 引言31
• 3.2 电动支腿与冗余支腿驱动原理31-32
• 3.3 优化设计变量32-33
• 3.4 优化设计目标33
• 3.5 位置与驱动优化33-42
• 3.5.1 单自由度运动优化仿真33-36
• 3.5.2 两自由度运动优化仿真36-41
• 3.5.3 典型运动工况优化仿真41-42
• 3.6 仿真结果分析42-43
• 3.7 优化仿真与对比分析43-52
• 3.8 本章小结52-53
• 第四章 控制策略研究53-62
• 4.1 引言53
• 4.2 模糊 PID 控制理论53-57
• 4.2.1 常规 PID 控制算法53-54
• 4.2.2 模糊 PID 控制算法54-56
• 4.2.3 模糊 PID 控制器设计56-57
• 4.3 仿真分析57-61
• 4.4 本章小结61-62
• 第五章 结论62-64
• 5.1 本文的主要贡献62
• 5.2 下一步工作的展望62-64
• 致谢64-65
• 参考文献65-70
• 硕士期间取得的研究成果70-71

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

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  本文关键词：重载冗余六自由度并联机构优化设计，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：412931