高速輕型并聯(lián)機器人集成優(yōu)化設計與控制.pdf

1、并聯(lián)機器人以其大負載自重比、高剛度及高精度等優(yōu)點被廣泛用。隨著現(xiàn)代工業(yè)中對生產(chǎn)效率要求的不斷提高，并聯(lián)機器人已被越來越多地應用于高速磨削、搬運及裝配中，同時為降低機器人的生產(chǎn)成本及減少能源消耗，考慮輕量化的現(xiàn)代設計方法已逐漸應用于機器人的研制中。在高速運行工況下，輕量化的結(jié)構(gòu)通常會引入彈性變形與振動，當采用傳統(tǒng)針對剛性機器人的分析及控制方法時，將無法保證機器人的跟蹤精度和動態(tài)性能。為解決并聯(lián)機器人在高速運行時存在的共性問題，本文以具有典

2、型結(jié)構(gòu)的3RRR并聯(lián)機器人為對象，開展了面向控制系統(tǒng)設計的并聯(lián)機器人剛?cè)狁詈蟿恿?；綜合機構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動與傳統(tǒng)部件參數(shù)匹配及控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整于一體的集成優(yōu)化設計；基于模型的軌跡優(yōu)化及控制研究，并進行了性能測試與實驗研究。
　　首先對3RRR并聯(lián)機器人進行運動學與剛體動力學建模，以此為基礎，從歐拉梁的基本假設出發(fā)，考慮桿件端部的剛性特征，采用曲率有限元（CFE,Curvature based finite element）對桿件進行

3、離散化建模，并推導并聯(lián)機器人桿件中常用的懸臂梁及簡支梁模型，從而考慮桿件端部剛性提出改進的曲率有限元（ICFE,improved curvature based finite element）方法。根據(jù)推導的桿件模型及小變形假設，提出桿件彈性位移與機器人剛體耦合運動的建模方法。根據(jù)上述模型并結(jié)合Kane方程建立3RRR并聯(lián)機構(gòu)的剛?cè)狁詈蟿恿W模型。為對推導的動力學模型進行驗證，分別對模態(tài)與加速度響應進行分析，并將推導模型的計算值與ABA

4、QUS模仿真值進行對比，同時根據(jù)模態(tài)分析對模型進行簡化。結(jié)果顯示，隨著對桿件端部特征的考慮，模態(tài)分析與加速度響應分析結(jié)果與ABAQUS仿真結(jié)果吻合度得到顯著提高，由于對模型的合理簡化且求解時避免了對剛?cè)狁詈线\動約束方程的迭代，本文推導的模型保證了較高的計算精度與計算效率。
　　為實現(xiàn)高速并聯(lián)機器人良好的綜合性能，提出集機構(gòu)優(yōu)化、驅(qū)動傳動部件參數(shù)匹配及控制系統(tǒng)參數(shù)調(diào)整于一體的集成優(yōu)化設計方法。為適應高速運行要求，在機構(gòu)優(yōu)化時考慮全局

5、條件數(shù)、速度性能、加速能力及基頻等運動學與動力學指標；為保證驅(qū)動及傳動部件的經(jīng)濟性及參數(shù)匹配，建立其約束模型及參數(shù)庫，并選擇成本為優(yōu)化目標；為取得高精度的控制性能，設計了動力學前饋加PD的控制算法，并選擇系統(tǒng)跟蹤誤差為優(yōu)化目標。從而建立包含機構(gòu)參數(shù)、驅(qū)動與傳動部件參數(shù)及控制系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化模型，并采非支配遺傳算法NSGAII對模型求解，最終完成對高速并聯(lián)機器人的集成優(yōu)化設計。優(yōu)化結(jié)果表明，集成優(yōu)化設計有效提高了高速并聯(lián)機器人的綜合性能。<

6、br>　　為對高速并聯(lián)機器人進行彈性位移（FD，flexible displacement）限制與殘余振動（RV，Residue vibration）抑制，本文從軌跡規(guī)劃的角度出發(fā)，考慮桿件柔性，對給定軌跡與點到點快速定位兩種情況下的殘余振動抑制與彈性位移限制問題進行研究。針對給定軌跡時的殘余振動抑制問題，考慮到并聯(lián)機器人各階頻率隨位置改變的特點，將多模態(tài)輸入整形（IS,Input shaping）與粒子群優(yōu)化（PSO,Particle

7、 swarm optimization）及控制相結(jié)合，建立以殘余振動為優(yōu)化目標，以多模態(tài)輸入整形器參數(shù)為優(yōu)化變量的優(yōu)化模型，并利用PSO對控制模型進行離線優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，優(yōu)化后的整形器可對殘余振動進行顯著的抑制，且隨著整形器數(shù)目的增加，殘余振動進一步減小，同時避免了現(xiàn)有方法對整形器參數(shù)實時更新帶來的計算量大的問題。對于快速點到點運動，將時間最優(yōu)規(guī)劃與多模態(tài)輸入整形相結(jié)合，提出兩步優(yōu)化方法，首先采用分段偽譜法（GPM,Gauss ps

8、eudospectral method）對時間最優(yōu)問題進行求解，之后采用多模態(tài)輸入整形對得到的軌跡進行殘余振動抑制，仿真結(jié)果表明，兩步優(yōu)化法實現(xiàn)了時間最優(yōu)時的殘余振動抑制與彈性位移限制。
　　為解決含柔性環(huán)節(jié)高速輕型（HSLW,high-speed and light-weight）并聯(lián)機器人的軌跡跟蹤控制問題，提出了基于積分流形與高增益觀測器的復合控制算法。首先根據(jù)剛度矩陣引入小參數(shù)，并基于積分流形將剛?cè)狁詈蟿恿W模型降階為快速

9、與慢速兩個子系統(tǒng)，然后分別對兩個子系統(tǒng)進行控制算法設計，對慢速子系統(tǒng)采用反演控制，同時考慮桿件彈性位移對末端軌跡的影響，設計校正力矩，實現(xiàn)了桿件彈性位移對機器人末端運動的彈性補償。對快速子系統(tǒng)采用滑模變結(jié)構(gòu)控制，從而保證流形成立。為解決曲率變化率無法直接測量的問題，引入高增益觀測器，并對穩(wěn)定性進行證明。對于上述復合控制算法，證明了整體系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行，并給出小參數(shù)的選取范圍。最后，為驗證復合控制算法的有效性，將設計的算法與奇異攝動及基于

10、剛體動力學的反演控制算法進行對比，仿真結(jié)果表明，本文提出的基于積分流形與觀測器的復合控制方法在振動抑制與軌跡跟蹤方面均具有明顯的優(yōu)勢。
　　為對上述理論研究進行驗證，參考優(yōu)化設計結(jié)果對3RRR并聯(lián)機器人進行了本體設計及驅(qū)動與傳動部件選型，并采用工控機、實時操作系統(tǒng)及高速通訊總線的控制架構(gòu)設計了控制系統(tǒng)；采用激光跟蹤儀對機器人重復精度測試進行測試；為對建模精度進行驗證，采用LMS振動測試儀對系統(tǒng)進行了模態(tài)測試與加速度響應測試；本文最