新型3-DOF驅動冗余并聯(lián)機構動力學建模及其滑?？刂蒲芯?pdf

1、農(nóng)業(yè)機器人技術水平是一個國家農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志，隨著農(nóng)業(yè)機器人研究與應用領域的不斷擴展，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)作業(yè)要求不斷提高，控制任務復雜度不斷增加，對農(nóng)業(yè)機器人及其控制提出了更高的性能要求。與構成一般機器人常用的串聯(lián)機構相比，理論上，并聯(lián)機構具有承載能力強、定位精度高、末端構件運動慣量小、無累積誤差且響應速度快等諸多優(yōu)點，基于并聯(lián)機構的農(nóng)業(yè)機器人，可望在需要高速、高精度的農(nóng)業(yè)工程應用場合進一步提高現(xiàn)有農(nóng)業(yè)機器人的操作性能。
　　本文

2、著重對并聯(lián)機構進行研究，以為進一步實現(xiàn)并聯(lián)機器人在農(nóng)業(yè)工程中的實際應用奠定基礎。從控制角度，并聯(lián)機構是一個多變量、多參數(shù)耦合的復雜空間多鏈機構，受機構參數(shù)、未建模動力學、負載擾動、機構關節(jié)和伺服摩擦及外界干擾等不確定因素的影響，傳統(tǒng)的控制策略難以獲得預期的控制效果，基于動力學模型的控制能夠滿足并聯(lián)機構的高性能控制要求，但與串聯(lián)機構相比，并聯(lián)機構的動力學模型通常較為復雜，因此，有必要研究并聯(lián)機構的動力學建模及其控制問題。
　　基于并

3、聯(lián)機構的農(nóng)業(yè)機器人在農(nóng)業(yè)工程中的應用研究剛剛起步，由于并聯(lián)機構的多樣性，目前尚未形成公認有效的控制方法。考慮滑?？刂撇恍枰_建立被控對象數(shù)學模型，對系統(tǒng)外部干擾和參數(shù)變化不敏感，且易于實現(xiàn)的特性，本文針對一種新型3-DOF驅動冗余并聯(lián)機構，研究探索多種滑?？刂品椒?，以尋求一種綜合性能較優(yōu)的控制方案，從而為該機構在農(nóng)業(yè)工程中的實際應用奠定基礎。本文主要研究內容如下:
　　(1)針對新型驅動冗余并聯(lián)機構，為進行動力學建模及控制方法研

4、究，首先對該機構的機構特性和工作原理進行分析，并確定機構自由度;然后根據(jù)機構3個位姿參數(shù)之間的約束關系，建立機構的運動學模型，并推導機構的速度雅可比矩陣;最后對驅動冗余并聯(lián)的工作空間和奇異性進行分析。
　　(2)對于并聯(lián)機構，基于運動學模型的控制策略未考慮機構的非線性動力學特性和各關節(jié)間的強耦合關系，往往控制精度不高，在高速運行情況下甚至難以保證機構控制的穩(wěn)定性，為此，本文研究采用基于動力學模型的控制方法實現(xiàn)對并聯(lián)機構的控制。由于

5、并聯(lián)機構的閉鏈結構以及各支鏈間的耦合作用，其精確動力學模型往往難以建立且較為復雜，而對于基于動力學模型的并聯(lián)機構控制方法，其控制效果直接取決于動力學模型的準確性，因此對于基于動力學模型的控制方法，需要構建盡可能準確的動力學模型。本文首先采用Lagrange方法建立并聯(lián)機構基于工作空間的動力學模型，并借助最小2范數(shù)法研究進行機構工作空間的非約束等效廣義力到軸向驅動力的優(yōu)化。為解決所建立動力學模型用于并聯(lián)機構控制存在計算量大、實時性差等問題

6、，本文通過對機構各主要構件的驅動力進行仿真分析，提出一種動力學模型的簡化方法和基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡進行誤差補償?shù)膭恿W模型補償方案，最后通過構建PD仿真控制系統(tǒng)驗證所建立具有誤差補償?shù)暮喕瘎恿W模型的準確性及簡化補償方法的有效性。
　　(3)考慮到所建立動力學模型耦合項計算負荷較重，對基于動力學模型控制的控制系統(tǒng)快速性和實時性影響較大，此外，考慮到機構冗余支鏈和非冗余支鏈的運動及控制具有一定的獨立性，本文首先嘗試設計了一種冗余支鏈采

7、用動力學控制、非冗余支鏈采用運動學控制的控制方案，以提高所研究并聯(lián)機構的快速性和實時性。對于非冗余支鏈，設計了一種反演滑模控制器，并通過自適應預估進一步降低較大的系統(tǒng)參數(shù)不確定性和外部干擾對滑模控制系統(tǒng)性能的不利影響。對于冗余支鏈，考慮到采用位置控制，當并聯(lián)機構高速運動時，會與非冗余支鏈間產(chǎn)生較大的內力，致使桿件干涉變形甚至損壞，因此本文對冗余支鏈研究采用動力學控制方式。
　　(4)基于上述冗余支鏈采用動力學控制、非冗余支鏈采用運

8、動學控制的控制方法，由于未考慮非冗余支鏈各支路間的耦合作用，盡管一定程度上提高了并聯(lián)機構的快速性和實時性，但降低了系統(tǒng)控制精度，為進一步提高并聯(lián)機構的運動控制精度，本文基于所建立簡化動力學模型和滑模控制方法，研究設計一種基于同步耦合誤差的動力學滑?？刂破?，通過提高各支鏈間的同步協(xié)調性以進一步提高并聯(lián)機構的運動精度，其穩(wěn)定性通過李亞普諾夫方法進行證明。
　　(5)上述基于同步耦合誤差的動力學滑?？刂品椒ǎ蛇M一步提高并聯(lián)機構的運動控

9、制精度，但其快速性和實時性有所降低。為尋求一種綜合性能較優(yōu)的控制方案，本文提出一種解耦非奇異終端滑?？刂品椒ǎ?針對所建立并聯(lián)機構動力學模型，提取出各支路間的耦合作用力和重力項，將整體系統(tǒng)解耦為三個基于笛卡爾空間的完全獨立的線性子系統(tǒng)，并分別進行各子系統(tǒng)的控制器設計，以提高并聯(lián)機構控制系統(tǒng)的快速性和實時性，同時，為保證其控制精度，通過引入RBF神經(jīng)網(wǎng)絡對交叉耦合力和重力項進行在線補償。為進一步提高系統(tǒng)的綜合性能，考慮到上述冗余支鏈采用

10、動力學控制、非冗余支鏈采用運動學控制的控制方法和同步耦合動力學滑?？刂破?，其系統(tǒng)狀態(tài)無法在有限時間內收斂至零，本文針對各個子系統(tǒng)，研究設計一種非奇異終端滑?？刂扑惴?，以提高控制系統(tǒng)的收斂速度。對比所提出冗余支鏈采用動力學控制、非冗余支鏈采用運動學控制的控制方法、同步耦合滑?？刂品椒?、解耦非奇異終端滑模控制方法的仿真結果表明，解耦非奇異終端滑?？刂破骶哂休^優(yōu)的綜合性能。
　　(6)基于3-DOF驅動冗余并聯(lián)機構實驗平臺，以Visua

11、l C++軟件開發(fā)工具對本文所提出的冗余支鏈采用動力學控制、非冗余支鏈采用運動學控制的控制方法、基于同步耦合誤差的動力學滑?？刂破骱徒怦罘瞧娈惤K端滑模控制器分別進行實驗研究。實驗結果驗證表明:與冗余支鏈采用動力學控制、非冗余支鏈采用運動學控制的控制方法和基于同步耦合誤差的動力學滑?？刂破飨啾?，所提出解耦非奇異終端滑?？刂破骶哂休^優(yōu)的綜合性能。
　　本文的研究工作為農(nóng)業(yè)并聯(lián)機器人的控制理論研究及并聯(lián)機構在農(nóng)業(yè)工程中的實際應用奠定了基