六自由度并联机器人运动学、动力学与主动振动控制研究

发布时间：2020-07-01 06:56

【摘要】：并联机器人具有刚度大、惯量小、高速高精度的优势,其应用能涵盖工业、特种、服务等几乎所有机器人应用领域。相对其高性能发展要求,理论基础远未成熟。为此,本文开展了相关研究,涉及运动学和动力学的模型与算法、机构与结构的优化设计、主动振动控制算法,分为以下几个方面。研究了六自由度并联机器人的正向运动学问题。提出了这类问题迄今为止最高效的数值算法,讨论了其收敛性与奇异性问题,揭示了算法非奇异的条件。该算法适用于全驱动和冗余驱动的情形,相比传统牛顿迭代算法,提高了64倍的计算效率,能用于任务空间的闭环控制中。研究了六自由度并联机器人无奇异关节空间和工作空间的表示和计算问题。提出了首先确定最大无奇异关节空间,然后自动获得最大无奇异工作空间的策略。提出了在关节空间中检测奇异性的算法,能快速确定最大无奇异工作空间,为机器人工作的安全性提供了保障。研究了计算高效的六自由度并联机器人反向动力学求解方法。选择一个单位对偶四元数为系统的广义坐标,采用虚功率原理建立运动方程,生成计算高效的反向动力学解。对于6-UPS和6-PUS并联机器人,新方法相比传统方程分别减少了43.45%和38.45%的计算量。研究了基于Stewart机构的六轴隔振平台的运动学性能优化设计问题。提出了尺度均匀雅可比矩阵生成方法,解决了Stewart机构雅可比分析时转动和移动量纲不一致的问题。以局部运动学各向同性为性能指标,采用遗传算法获得最优构型。研究了基于Stewart机构的六轴隔振平台的动力学各向同性设计与分散主动控制。首次找到了平台工作在自由漂浮状态下,动力学完全各向同性的解析条件。揭示了动力学各向同性和运动学各向同性间的内在联系。针对动力学各向同性的隔振平台设计了分散控制器,闭环系统具有各向同性的性质,在所有方向上有一致的隔振性能。研究了柔性Stewart平台的建模和主动振动控制方法。利用伪刚体模型和虚功率原理,推导了具有足够精度和简洁性的显式线性化动力学方程。设计了基于关节空间力/位反馈的解耦控制算法,位置反馈抵消了柔性铰链的寄生弯曲和扭转刚度的作用,力反馈实现模态空间振动控制。控制器的比例增益和积分增益可以分别调节六个振动模态的转折频率和主动阻尼。论文研究工作为并联机器人的高端化和高性能内涵提升提供了理论基础的新发展,可以有力地指导高速高精度并联机器人的设计、运动分析与控制运行。论文的最后对下一步研究工作进行了展望。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP242
【图文】：

Stewart平台,脊柱

台可以这样完全自由的运动时，这类并联机器人称为（例如 UPS、PUS、RUS、6R）对运动平台没有产生运六自由度并联机器人的一个支链。六自由度并联机器S 构型。实际上，这种构型最早由 Gough[10]发明，被用出一种六自由度平台用作飞行模拟器后，调整球铰的后，Stewart 与论文评审人探讨了该平台潜在的工程应、海上石油钻井平台等，引起了学术界和工业界极大的被称为 Stewart 平台，现在越来越多地被称作 Gough用十分广泛，关于飞行模拟、并联机床、汽车悬架测列出两个最新的应用。德国人工智能研究中心(DFKI，如图 1.1 和图 1.2 所示，其中，人工脊柱采用了 S，性能超越了传统仿生结构，同时 UPS 运动链中集成的作用，同时能检测脊柱受到的六维力/力矩。耶 Stewart 平台的灵巧手，如图 1.3 所示，通过欠驱动差动作动器连接起来，能够实现在抓取物体的同时，进行

运动链,力传感器,振动模拟,灵巧手

图 1.2 集成力传感器的 UPS 运动链图 1.3 基于 Stewart 平台的灵巧手是采用 PUS 运动链，如图 1.4 所示，该 6-PUS 并联机也可以用作六维振动模拟器。相比采用 UPS 运动链

【参考文献】