气缸驱动并联机器人位姿控制研究

发布时间：2018-12-25 08:35

【摘要】：为了实现可工业化应用的高精度气动并联机器人位姿控制,满足此类并联机构在大规模应用场合的成本要求,体现气动伺服技术的结构和成本优势,本课题选取由普通气缸作为运动执行器件的3-RPS形式的并联平台为研究对象。由于气动系统具有的参数不确定、非线性特征明显,综合当前气动伺服领域的研究成果,采用具有明显性能优势的自适应鲁棒控制方法,基于反步法实现位置-压力-流量的期望值计算从而实现对比例阀的控制量计算。结合间接自适应理论,采用最小二乘法和实时更新的自适应矩阵实现在线参数的精确辨识。然后在此基础上,从实际应用条件出发,对基本自适应鲁棒算法进行优化和改进。提出针对负载特征辨识的改进算法和集成死区参数辨识的控制器结构,并通过设计压力观测器实现无压力传感器的位姿控制,极大的扩展控制器的通用型和可移植性。为了将本算法集成于小型嵌入式系统,设计了与工业产品配套的嵌入式控制器,并根据实际工况,提出了阀死区切换噪声抑制方法,进一步满足了实现工业化应用的要求。本论文"气缸驱动并联机器人位姿控制研究"主要通过以下几个方面展开,第一章为绪论,重点介绍了并联机器人领域、气动元器件测试与特性研究、气动伺服控制、机电系统伺服控制、先进非线性控制理论等方面的研究进展,重点强调在气动并联平台研究领域,尤其是具有较高带负载能力、具有工业化价值的气缸驱动形式上现有的控制精度并不理想,还需要在算法设计、控制器可移植性和产业化要求上做出重大改进。第二章为研究对象的机电系统结构概述和相关数学物理模型建模,诸如3-RPS并联平台的运动学及动力学分析,比例方向阀的压力-流量特性分析,气缸摩擦力、动力学和热力学过程分析,从而建立起单轴-多轴气动伺服系统的完整物理模型,为控制器的设计奠定良好的基础。第三章首先介绍了自适应参数辨识的基本原理,即对系统动力学模型进行局部线性化,设计回归矩阵和参数向量,采用最小二乘法对系统未知参数进行在线估计。并通过设置遗忘因子来保证时变参数的准确估计,利用非连续投影保证估计值得有界和更新速率,保证参数估计的准确收敛。随后详细介绍了单轴气动伺服自适应鲁棒控制算法的基本原理、推导过程和稳定性证明。在单轴模型的基础上,将系统模型扩展到三自由度并联平台控制系统,建立以矩阵形式表达的并联系统动力学模型,并将控制器设计用矩阵形式进行表达,满足多轴情况下的计算要求。相应的,稳定性证明也一并给出。随后在对单轴系统、并联平台系统的轨迹跟踪仿真结果达到预期的基础上开展实验研究,实验结果在本章末尾给出。第四章在上述实验和控制器设计的基础上,根据系统特性、实际工况的相关要求,对基本间接自适应鲁棒控制器进行优化和改进。重点着眼在以下三个方面:(1)为了提高系统频响,满足此类平台实际工况下的瞬态跟踪性能,添加快速自适应项用于补偿系统不确定项中的低频部分。通过设计直接/间接集成自适应鲁棒控制器,扩展了系统带宽,提升了控制精度。(2)由于比例阀存在死区,且任意两个阀之间存在死区差异。所以为了满足工业化应用的需求,集成了对死区参数的实时计算和补偿,相较完美死区补偿,本方法实现了同等精度下对死区参数的准确估计。(3)为了解决自适应辨识过程中的初值问题,尤其是实际工况下负载可能存在的巨大变化,集成了对负载初值的标定,避免出现因为辨识初值与实际偏离过大而导致的系统抖振等现象。通过上述三个方面的改进,极大地改善了控制器的可移植性,为未来的产品化实现扫清了诸多障碍。第五章结合若干具体应用场合,在气动并联机器人虚拟现实运动模拟环境下的典型应用为基础展开研究讨论。首先提出了完整的气动并联机器人虚拟现实环境的整体解决方案,采用模拟运动示教器器生成目标曲线模拟实际工况。同时为了解决PXI控制器不便于大规模投入应用,满足基于自适应鲁棒算法的控制器实际应用的基本要求,采用DSP模块作为控制算法硬件核心设计制造了具有CAN总线通信功能的嵌入式控制器并将之前章节所提出的算法移植入其中,对移植后的控制器实验研究表明其控制性能依然良好。此外针对实际工况下可能出现的由于比例阀死区切换而导致的噪声和振动,采用基于轨迹分析和速度信号方向切换判别技术,滤除无效切换,在保证控制器跟踪性能的前提下,减少阀的工作噪声,提升系统实际工作运动的平滑性和运动模拟的舒适性。最后在第六章,在总结本课题相关工作的基础上,对气动伺服系统及并联平台控制器的算法升级和产业化改良,提出若干可行的解决方案,以求实现气动伺服控制和气动并联平台及控制算法在实际工业生产的各行各业不断推广,真正为解决当下所面临的技术短板、促进相关领域的协同发展做出应有的贡献。
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【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

【参考文献】