氣缸驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人位姿控制研究.pdf

1、為了實(shí)現(xiàn)可工業(yè)化應(yīng)用的高精度氣動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人位姿控制，滿足此類(lèi)并聯(lián)機(jī)構(gòu)在大規(guī)模應(yīng)用場(chǎng)合的成本要求，體現(xiàn)氣動(dòng)伺服技術(shù)的結(jié)構(gòu)和成本優(yōu)勢(shì)，本課題選取由普通氣缸作為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行器件的3-RPS形式的并聯(lián)平臺(tái)為研究對(duì)象。由于氣動(dòng)系統(tǒng)具有的參數(shù)不確定、非線性特征明顯，綜合當(dāng)前氣動(dòng)伺服領(lǐng)域的研究成果，采用具有明顯性能優(yōu)勢(shì)的自適應(yīng)魯棒控制方法，基于反步法實(shí)現(xiàn)位置-壓力-流量的期望值計(jì)算從而實(shí)現(xiàn)對(duì)比例閥的控制量計(jì)算。結(jié)合間接自適應(yīng)理論，采用最小二乘法和實(shí)時(shí)更新

2、的自適應(yīng)矩陣實(shí)現(xiàn)在線參數(shù)的精確辨識(shí)。然后在此基礎(chǔ)上，從實(shí)際應(yīng)用條件出發(fā)，對(duì)基本自適應(yīng)魯棒算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。提出針對(duì)負(fù)載特征辨識(shí)的改進(jìn)算法和集成死區(qū)參數(shù)辨識(shí)的控制器結(jié)構(gòu)，并通過(guò)設(shè)計(jì)壓力觀測(cè)器實(shí)現(xiàn)無(wú)壓力傳感器的位姿控制，極大的擴(kuò)展控制器的通用型和可移植性。為了將本算法集成于小型嵌入式系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了與工業(yè)產(chǎn)品配套的嵌入式控制器，并根據(jù)實(shí)際工況，提出了閥死區(qū)切換噪聲抑制方法，進(jìn)一步滿足了實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用的要求。
　　本論文“氣缸驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)器

3、人位姿控制研究”主要通過(guò)以下幾個(gè)方面展開(kāi)，第一章為緒論，重點(diǎn)介紹了并聯(lián)機(jī)器人領(lǐng)域、氣動(dòng)元器件測(cè)試與特性研究、氣動(dòng)伺服控制、機(jī)電系統(tǒng)伺服控制、先進(jìn)非線性控制理論等方面的研究進(jìn)展，重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)在氣動(dòng)并聯(lián)平臺(tái)研究領(lǐng)域，尤其是具有較高帶負(fù)載能力、具有工業(yè)化價(jià)值的氣缸驅(qū)動(dòng)形式上現(xiàn)有的控制精度并不理想，還需要在算法設(shè)計(jì)、控制器可移植性和產(chǎn)業(yè)化要求上做出重大改進(jìn)。
　　第二章為研究對(duì)象的機(jī)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述和相關(guān)數(shù)學(xué)物理模型建模，諸如3-RPS并聯(lián)平臺(tái)

4、的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析，比例方向閥的壓力-流量特性分析，氣缸摩擦力、動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)過(guò)程分析，從而建立起單軸-多軸氣動(dòng)伺服系統(tǒng)的完整物理模型，為控制器的設(shè)計(jì)奠定良好的基礎(chǔ)。
　　第三章首先介紹了自適應(yīng)參數(shù)辨識(shí)的基本原理，即對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行局部線性化，設(shè)計(jì)回歸矩陣和參數(shù)向量，采用最小二乘法對(duì)系統(tǒng)未知參數(shù)進(jìn)行在線估計(jì)。并通過(guò)設(shè)置遺忘因子來(lái)保證時(shí)變參數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)，利用非連續(xù)投影保證估計(jì)值得有界和更新速率，保證參數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確收斂。隨后詳細(xì)

5、介紹了單軸氣動(dòng)伺服自適應(yīng)魯棒控制算法的基本原理、推導(dǎo)過(guò)程和穩(wěn)定性證明。在單軸模型的基礎(chǔ)上，將系統(tǒng)模型擴(kuò)展到三自由度并聯(lián)平臺(tái)控制系統(tǒng)，建立以矩陣形式表達(dá)的并聯(lián)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，并將控制器設(shè)計(jì)用矩陣形式進(jìn)行表達(dá)，滿足多軸情況下的計(jì)算要求。相應(yīng)的，穩(wěn)定性證明也一并給出。隨后在對(duì)單軸系統(tǒng)、并聯(lián)平臺(tái)系統(tǒng)的軌跡跟蹤仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期的基礎(chǔ)上開(kāi)展實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在本章末尾給出。
　　第四章在上述實(shí)驗(yàn)和控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)特性、實(shí)際工況的相

6、關(guān)要求，對(duì)基本間接自適應(yīng)魯棒控制器進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。重點(diǎn)著眼在以下三個(gè)方面:(1)為了提高系統(tǒng)頻響，滿足此類(lèi)平臺(tái)實(shí)際工況下的瞬態(tài)跟蹤性能，添加快速自適應(yīng)項(xiàng)用于補(bǔ)償系統(tǒng)不確定項(xiàng)中的低頻部分。通過(guò)設(shè)計(jì)直接/間接集成自適應(yīng)魯棒控制器，擴(kuò)展了系統(tǒng)帶寬，提升了控制精度。(2)由于比例閥存在死區(qū)，且任意兩個(gè)閥之間存在死區(qū)差異。所以為了滿足工業(yè)化應(yīng)用的需求，集成了對(duì)死區(qū)參數(shù)的實(shí)時(shí)計(jì)算和補(bǔ)償，相較完美死區(qū)補(bǔ)償，本方法實(shí)現(xiàn)了同等精度下對(duì)死區(qū)參數(shù)的準(zhǔn)確估計(jì)。

7、(3)為了解決自適應(yīng)辨識(shí)過(guò)程中的初值問(wèn)題，尤其是實(shí)際工況下負(fù)載可能存在的巨大變化，集成了對(duì)負(fù)載初值的標(biāo)定，避免出現(xiàn)因?yàn)楸孀R(shí)初值與實(shí)際偏離過(guò)大而導(dǎo)致的系統(tǒng)抖振等現(xiàn)象。通過(guò)上述三個(gè)方面的改進(jìn)，極大地改善了控制器的可移植性，為未來(lái)的產(chǎn)品化實(shí)現(xiàn)掃清了諸多障礙。
　　第五章結(jié)合若干具體應(yīng)用場(chǎng)合，在氣動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)模擬環(huán)境下的典型應(yīng)用為基礎(chǔ)展開(kāi)研究討論。首先提出了完整的氣動(dòng)并聯(lián)機(jī)器人虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的整體解決方案，采用模擬運(yùn)動(dòng)示教器器生

8、成目標(biāo)曲線模擬實(shí)際工況。同時(shí)為了解決PXI控制器不便于大規(guī)模投入應(yīng)用，滿足基于自適應(yīng)魯棒算法的控制器實(shí)際應(yīng)用的基本要求，采用DSP模塊作為控制算法硬件核心設(shè)計(jì)制造了具有CAN總線通信功能的嵌入式控制器并將之前章節(jié)所提出的算法移植入其中，對(duì)移植后的控制器實(shí)驗(yàn)研究表明其控制性能依然良好。此外針對(duì)實(shí)際工況下可能出現(xiàn)的由于比例閥死區(qū)切換而導(dǎo)致的噪聲和振動(dòng)，采用基于軌跡分析和速度信號(hào)方向切換判別技術(shù)，濾除無(wú)效切換，在保證控制器跟蹤性能的前提下，減