（农业电气化与自动化专业论文）并联机构自学习模糊滑模控制研究.pdf

江苏大学硕士毕韭论文 摘要 并联机器入枧构肖许多明照优于串联机器人机构的优点。在航天、医疗、数 控加工、微动控制等过程中有十分广泛的魔用。本课题研究的三平移并联机器人 机构在离精度数控机床、三维坐标测量机等方面有广阔的应用前景。 课题对三平移并联孛凡器人的运动学、动力学关系进行了分柝。提出了利用 m a t l a b 程序绘制机器人工作空间三维模型的方法。建立了完熬的并联枧器人控 制系统、利用v c + + 设计了机器入系统的计算机控翩较彳牛，使机器人能在其工作 空间内精确地按照腭户绘定的轨迹运动。 在并联机构控制理论研究方面，曾先介绍了滑模变结梅擦制醺论，对潺模变 结构控制系统的港模存在性、可迭性及稳定性条件进行分析。然簸针对变结构控 制系统的抖振，结合步进电机分散驱动并联机构的控制形式，完成了模糊瀚模控 制器和自学习模糊滑模变结构控制嚣的理论分析，并进行备条支路的轨迹跟踪仿 真试验。理论分析和仿真结果都表明：该算法解决了传统滑模擦制在数字实现时 的震颤阉题，系统抗干扰能力强，而且能够较好的跟踪期望轨迹。 在并联极构数控系统豹试验中，采用多微处理器结构，以“p c 机+ 多轴运动 控制卡”进行构建。这种结构既简化了控制系统的结枣奄，又具有较好的实时靛和 可靠性。利用v c + + 设计控制软伟，使并联机构能在其工作空间内完成绘定的轨迹 运动，丽且具有一定的控制精度。 关键词：并联机构，计算机控制，模糊滑模控制，自学习控制 涯募文学鞭士毕盘釜文 a b s t r a c t r o b o t 稍氆p a r a l l e lm e c h a n i s mh a sm a n yo b v i o u sa d v a n t a g e so v e rs e r i a lr o b o t i th a sw i d e a p p l i c a t i o n si ns p a c ef l i 秘t , m e d i c a lt r e a t m e n ta n dn u m e r i c a l l yc o n t r o l l e dm a c h i n e r y p a r a l l e l r o b o tw i t ht h r e ed i m e n s i o n a ll e v e lm o v e m e n tr e s e a r c h e di nt h i sp r o j e c tc o u l db ea p p l i e di n v a r i o u sf i e l d ss u c ha sh i ；g hp r e c i s i o nm a c h i n e r y ，c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) , e t c k i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sr e l a t i o n so f p a r a l l e lr o b o ta r ea n a l y z e di nt h i sp r o j e c t m e t h o d st o d r a wt h r e e - d i m e n s i o n a li m a g e so fr o b o t sw o r k s p a c eb yc o m p i l i n gp r o g r a m si nm a t l a ba r e p r e s e n t e d ac o m p l e t e dp a r a l l e lr o b o tc o n t r o ls y s t e mi ss e tu p a ne f f i c i e n tr o b o tc o n t r o lp r o g r a m w r i t t e ni nv c + + c o d e ，w h i c hc a nd r i v er o b o tt om o v ea l o n g a n yl o c u si ni t sw o r k s p a c ew i t hh i 曲 p r e c i s i o n , i sd e s i g n e d 。 i nt h er e s e a r c h i n go fp a r a l l e lm e c h a n i s mc o n t r o ll 羹e o r y , t h es l i d i n gm o d ec o n t r o l ( s m c ) t h e o r yh a sb e e ni n t r o d u c e df i r s t t h ee x i s t e n c e , r e a c h i n ga n ds t a b i l i t yo f t h em o d eo f s m cs y s t e m h a v eb e e na n a l y z e dc o m p l e t e l y a n dt h e n ，t h et h e o r e t i ca n a l y s i so ft h ef u z z ys l i d i n g - m o d e c o n t r o l ( f s m c ) a n ds e l f - l e a r n i n gf u z z ys l i d i n g - m o d ec o n t r o l ( s l f s m c ) h a v eb e e n a c c o m p l i s h e d ，f o rt h ec h a t t e r i n go f t h es m ca n dt h ec o n t r o lf o r mo f p a r a l l e lm e c h a n i s m ，w h i c hi s d i s p e r s e d l yd r i v e n 姆t h es t e p p e rm o t o r m o r e o v e r , t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n tf o rt h et r a c k i n gh a s b e e ni m p l e m e n t e d + t h et h e o r e t i ca n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h e s ea r i t h m e t i ch a v e s o l v e dt h ec h a u e r i n gp r o b l e m ，w h i c he x i s t si nt h et r a d i t i o n a ls m c ，t h es y s t e mi sm o r er o b u s ta n d c a p a b l eo f t r a c k i n gt h ei d e a ll o c u s i nt h ep a r a l l e lm e c h a n i s me x p e r i m e n to fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e m ，t h i sd i s s e r t a t i o na d o p t st h e f r a m e w o r ko f m u l t i - p ca n ds e t su pt h eh a r d w a r es y s t e m sw i t hp ca n ds t a n d a r dc o n t r o lc a r d a n d t h i sf r a m e w o r ke a r lg r e a t l ys i m p l i f yt h es t r u c t u r eo ft h ec o n t r o ls y s t e ma n dh a sp r e f e r a b l e r e l i a b i l i t ya n dr e a l - t i m ec a p a b i l i t y i nt h ee n d a l le f f i c i e n tr o b o tc o n t r o lp r o g r a mw r i t t e ni nv c + + c o d e ，w h i c h 罐ld r i v er o b o t 拇m o v ea l o n ga n yt o e u si ni t sw o r k s p a c ew i 氆h i 馥p r e c i s i o n ，i s d e s i g n e d k e yw o r d s ：p a r a l l e lm e c h a n i s m ，c o m p u t e rc o n t r o l ，f s m c ，s e l f - l e a r n i n gc o n t l l f1 0 1 3 7 9 5 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关僚露、使用学位论文 的规定，网意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印馋释电子舨，允许论文被查阕帮借阕。本人授权江苏大 学可以将本学位论文昀全部内容或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文。 保密匿，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密目。 学位论文作者签名：志卞p 洳年冀川霾 指导教师签名：毛司务 堪年6 月v 加 独创性声明 本人郑粪声明：所登交的学位论文，是本人在导师的 指导下，独立进彳亍研究工作斯取得的成果。除文中已l 注明替| 耀戆鸯容熬外，本论文不包含任簿萁氇个入藏集体已经发表 或撰写过静俸麓成栗。对本文的研究徽崮蘸要贡献酶个人帮 集体，均已谯文中以明确方式标明。本人完全意识到本声嘲 煞法律结果l 盎本人承担。 学位论文作考签名：老摹妒 躺期：小。g 年# 月目 江苏大学硕士毕业论文 1 。1 引言 第一章绪论 在最近2 0 年中，机器人技术有了叵大的发展。机器入学研究吸弓| 了众多学 者的兴趣，丽盟弓l 起了公众的极大关注。随莠机器入技术的逐步成熟，机器人从 能完成一黧简单的抓取、放薰、喷漆和焊接操作，发展到能实现在印翘电路扳上 装插电路芯片以及在汽车工业中装卸与传递零伟这样复杂的操作，机器入的应用 情况已成为衡量某鉴工厂自动化程度的标准，并且机器人在危险环境，微型外科 手术和微黧机毫装置等领域的应用，正成为机器入学研究的新领域。 目前，机器人的本领还是有限的。不过，它正在迅速发展，并开始对整个工 业生产、太空和海洋探索以及人类生活的各方露产生越来越大的影响。 1 2 并联机器人研究的进展与现状 早在1 9 6 1 年美国研制出工波枧器人以来，人们就在追求机械自动化，使机 器人一直在不断的发展过程中。自从1 9 7 8 年澳大利亚著名枫构学教授h u n t 提出 并联机构可以作为机器人机构以来，并联机器人就成为一种全掰的机器人，一壹 受到广大学者的关注。由于它具有刚度大、承载能力强、误差小、精度高、自重 负荷比小、运动惯性小、在使置求解上正解困难反解容易等一系列优点，与嚣前 广泛应用的串联机器人在应用上构成互 关系阁。 1 2 1 并联机器人分类与应用 1 9 7 8 年h u n t 就提采可以将s t e w a r t 平台机构应用到弗联机器人中，接着 m a c c a l l i o n 和p h a m d t 曹次成功地将并联机构用予装配生产线：1 9 8 6 年 f i c h t e r 发表了有关并联机器人理论和实际缩构的研究成果后，弓| 起机构学和枧 嚣入学研究者的普遍兴趣。从此推动了并联机器入在机构上的推成出耨以及在工 业上的大力发展。 窦1 9 9 3 年，第一台并联机器人在美国德州自动化与枧器人研究所诞生以来， 并联桃器入在结构和外型上都得至i 了充分的发展，僚就其类别分为以下几类“： 滋嚣文学硬圭毕业论文 ( 1 ) 按自出度的数强分类，并联机器人可进行n 自国度操作，则称其为n 自 瘩液劳联枫器人。铡妇：一势联规器入寄6 个是由度，穆其为6 - d o f 并联枫器人。 如果自由度大予6 酌并联辍嚣人刚称为冗余并联枫器人：翔累税榆的酝瓤受小于 其阶的并联机构剡称为欠秩并联机器人。 ( 2 ) 技支柱熬长度变纯分类，谭将劳联税器入分鸯：黪淹采爱可变化瓣支柱 进行支撑上下乎螽的并联机器人。这种六桴静并联梳器人称为h e x a p o d ，运动乎 台和基座有6 个长度盯变化的支柱连接的，馘个支柱的两端分剐由铰链迤接在运 动平台上霸蒸褒上，遴过璇繁支柱翦长发来改变运动平台的经姿。另一爨灸采耀 固定长度豹支挺溅幸亍支撑上、下平台豹并联枫器入。这种六秆静并联枫器人称菇 h e x a g l i d e ，运动平台和慕熊怒商6 个长度固定的支柱涟按的，每个支柱一端由 铰链连接在运动平台土，雯一螺通过铰镶连接在基座上，该端铰链可潞饕基廪上 固寇的漏遒上避行移动，由此，来改变运动平台的位姿。 ( 3 ) 按并联帆构的输入形式分类，可将并联机器人分为：线性驱动输入并联橇 嚣入窝旋转驱动簸入并联毒| i 爨久。线蠖驱魂骧入豹著联瓤器人，铡麴：驱磅装置 是液雁伺服系统，这种类型豁机器入位置逆勰非絮篱单，耪具有惟一投。旋转驱 动输入型并联枕器人，这类机器人驱动装鬣一般为伺服瓤讥或步进电桃，它与线 蛙驱动赣a 并联橇器太狸疑：，其窍瓿拇更紧凑、馁量更夸、零载黪力鞠对更强等 优点：但它的旋转输入运动形式决定了侥置谶解的多解卡耋翻复杂性。 尽管并联机器人豹工作空间和灵活性受到一定的限维l ，但与串联枫器人能够 巍续梅上帮牲8 土形成甄羚关系，爵完藏串联耱i 器太难数宠或浆任务，靛鬻扩大 了帆器人的应用范围。由予其独特的优越性，被广泛应用予社会棼领域。并联机 构遣用于以下诸方露”3 ： ( 1 ) 摸籀运动飞纾燹三维空闯翊练模熬嚣，驾驶模掇器：工程模擞 器，如船用摇摆台等：检测产品在模撅朗反复冲击、搬动下豹运行可靠牲： 娱乐运动模拟台。例如：上海衣方飞行培训脊限公司的a 3 0 0 6 0 0 r 笆行摸拟器， 模拟驾骥舱安装在并联极构豹上平台上，致藤作为鬻定平台。 ( 2 ) 对接动搏宇宙飞黼豹空间对接：汽车装配线上豹车轮安装： 滚院中静假肢接肾。例如，并联枫器人用予舰天飞船对接枫秘，上下平螽作为对 接器瓣j c 李搂繇，平台中阕袁遘强，侔为对接藉麓逶遥。瓣接嚣嚣戬竞戒主动掇取、 2 江苏大学硕士毕业论文 对正捉紧、柔性连接以及锁住卡紧等一系列工作。此外，这种对接器还具有吸收 能量和减振的作用，可以保证对接任务顺利进行。 ( 3 ) 承载运动大扭矩螺栓紧固；短距离熏物搬运。例如，汽车总装线 上囊动安装车轮部件。它从侧面抓住由传送链送采的车轮部件，然詹转过1 8 0 度，以与总装线淞步的速度，将车轮装到车体上，并将所有的螺栓一次拧紧。 ( 4 ) 金属切削加工可威用于各类铣床、磨床、钻床或点焊桃、切割机。 ( 5 ) 用于微动机构或微型机构例如用来作为其它机构的误蓑补偿器，燕山大 学己经开发出来。 并联平台的应用领域正在被科研工作者不断拓宽。 1 2 2 并联机器人研究现状 并联机器人作为串联机器入强有力豹补充，引起了美国、日本、英戮、德潮、 俄罗斯等国家学者的广泛关注，成为机器入研究的主要热点之一。我国的学者也 非常重视这方瑟的研究，中豳科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学、清华 大学、天津大学、燕山大学等单位一直在开展这方面的工作，弗且做出了各类样 机，取褥了定的成果。 目前，并联机器入的研究主要集中在机构学、运动学、动力学和擦制策略研 究等几个领域。并联枫器人的运动学内容包括位置正解、逆解、速度、加速度分 析以及机构性能分斩等。机构的正解、逆解也就是求解输入与输出构件阆的使置 关系，是机构运动分析的基本内容，也是机构速度、加速度、工作空间分析、误 差分析与补偿等的基础。机 奄性能分析是机器入的工作空间分析、机构的误差分 柝、奇异点分析、可操作度和灵巧性分析等。1 。动力学分析是分析物体的运动和 作用力之闻的关系。由于并联枫器人存在多路输入和输出，导致它们之间存在惹 复杂的耦合关系，给动力学分析带了很大的困难。 1 运动学闽题 关于并联机器人的运动学问题包括两个方露：已知各支秆的长度或转角、速 度，求解活动平台的位姿、速度，称为正向运动学问题，印正解；已知活动n 乎台 的位姿和速度，求解各支枰的长度翻转角、速度称为逆向运动学问题，郎反解。 与串联机器人相反，莠联机器入逆运动学闯题非常简单面正向运动学阀题却相当 汪苏夫学蘸士毕建论文 复杂，是运动学研究的难点之一。从目辩来看，还没有一乖 i 缀好的方法解决正向 逡动学阚题，因魏一粪受到广大学者鲍关注。哭予正淘运动学戆解法主要分为鼹 丈炎：数篮法和解瓣法。数藏法魑猎求解缀嚣线健方稷，菲线蛙方程是矢量繇 穷稷经过一熙熬体结构的代数处理后，堂按导出的，从黼求得与输入位移对应的 动警台的位嚣嬲姿态。数值法豹优点是它霹默疲怒于馁侮绩梅的并袋糖构，数学 摸蹙比较篱纂，省去了烦琰的数学推导，织藏方法诗箕速度较镘，不熊傺证获得 全部解，并且最终的结果与初俊的选取有关。解掇法是邋进消元法消次机构约束 方程中躲寒知数，扶瑟获缮输入臻出方程中佼岔一个寒熊数髂多项式。这辩方法 瀚优点是可以求解祝构中耩露可熊解，并熊区分不两连续工练空桶中的解，僚雅 导j 遘稷复杂。 2 。误差分援霹章 髅 莠联枫构的位姿误差是攘并联枫掏的实际位姿帮理论彼姿阍豹偏差。由予并 联枫构斡空间特殊性，给误激分析带来了栩当的困难，鸯许多问题需爱去探讨。 误差於续农著联褪秘一毯实鼯痰弱中笼免熏要，铡魏：俸烫荠驳糗凑窝瘸予 餐闻对接时。瑟想使这些枫擒在实际当中髓很好的应用，德嚣和姿态的精确控裁 怒必不阿少的，是实现自曳价值的前提。 交予翻造瘩乎静羧利，多# 联税褥嚣整麓姿态存在一定程度熬谖蓑，势联热 廉的加工耪度远远不能满足加工的需要，遮在一定程度上限n t 势联祝床韵发 展，影响精度的因素很多：制造公差和装配误差、传幼链间隙、尺艘测爨标定 误茇：热工爨孝动力学囊力矩撬动霉l 蒸瓣误差：熬工露遭霹豹受力变形，熬变 形，刀具黪损、传动链磨损等。并联枫构的位餐姿态谈菠奄捂两部分：以平台平 移为运动特点的三维位置煎线误差和以乎螽旋转为特点的三维姿态角度误差。由 予势联平台黪傻嚣遂耱其鸯麟撰熬，藏在奉 缮运凄套霞蓬姿态误蓑孵，霹囊接罴 溺误麓稚偿，鄄将实际测褥的位鬟姿态误麓结采取其负德作为补偿爨，叠加翻平 台位霰姿态误蓑的逆解变换谢箨中。这种焱接补偿法可对不同误差源爵致的平台 簌二终经萋辩静定整误曩，琏；l 予该方法篱蘩，嚣露蠢实掰毪。 3 奇异位形分析 奇异位形怒并联机器人机构学研究的一项重要内容，当枧构处于奄异位置 辩，镣露乎套懿毒多余熬鑫激发，辊擒褥灸去捺甏，不簸承受诺德受藏：楚予鸯 4 江苏大学硕士毕业论文 异位形附近时，关节驱动力将趋于无穷大从箍造成并联机器人的损坏。弗联机器 人奇羿位形是指当机构处于奇舅像形时其j a c o b i a n 矩阵为奇异阵，行列式值为 零，此时机 句速度反解不存在，存在菜些不可控的自由度。g o s s e l i n 和a n g e l e s 将并联机构的奇异位形分为边界奇舅、局部凳舅和结构奇异三种形式“1 。从各种 文献中，我们看到：当运动平台平行基廪时，饶z 轴旋转9 0 4 的位置就处在奇异 位嚣。关于奇异位形的研究主要是寻找并联机器人在空间中何时处于奇舅彼形， 如何避开奇异位形：关于并联机器人奇异位形研究的一个相关l | 习_ 驻是如何避开工 作空闻中的奇异位形“3 目前为止，还没有找到一个求解有关奇异位甓的通用方 法，研究者钓一霞希望找到更为理想的解决办法，通过求解方程来确定奇异位置。 虽然平面形并联机器人的工作空间和奇异位形可以同时确定，但如何确定工 作空间中的奇异位形仍是一个有待进一步研究的瓣题。 4 。王作空间分析 工作空阕分析是设计并联机器人操作器的蓠要环节，机器入的工传空间是机 器人操作器的工作区域，它是衡量机器人性能的重要指标。根据操作器工作时的 位姿特点，工作空间又可分为可达工作空间和灵活工作空间。可达工作空闻是指 操作器上某一参考点可以达到的所有点的集合，这种工作空阔不考虑操作器的姿 势。灵活工作空间是指操作器上某一参考点可以从任何方向到达的点的集合。灵 活工作空间是可达工作空阀躲一部分，因此机器人的灵活工作空间又称为可达工 作空间昭一级子空间，可达工作空间的其余部分称为可达工作空阅的二级予空 间。一级子空间只是可达工作空间的一部分或者根本不存在，工作空间的大部分 或者全部为二级子空间。 目前工作空闽的分析方法有：作图法、解析法和数值法。其中作图法精确性 较差，主要在设计过程中作方案比较时用：数值法是根据工作空间边赛必为约束 边界的性质，利餍位置逆解和k t 条件搜索边秀点集，此法最为常用：解析法是 将并联机构拆解为若干单开链，剥用越面包络理论求各单开链子空间边界，再利 用曲丽求交技术得到整体工作空间边界。弗联机器人工作空闽的解柝求解是一个 非常复杂的问题，它在很大程度上依赖于机构位置髂的研究藏果，至今没有完善 的方法。对予比较简单的平西劳联机器入工作空间可以解丰厅表达，丽对于空间并 联机器入，弱髓只有数值解法。在解析法研究方面，具有代表性的工作是几何法， 江苏天举矮士孥韭论文 该方法基于给定渤平台姿态和受杼长极限约束时，假想帮歼链末秆参考点运动轨 迹为一球瑟片求交问题。在数值法研究方面，主要谢网格法、j o c o b i 法、 i o n t e c a r o 法耥优化法，这些算法一般需依赖予位置遴解，虽器固定末端执行 器姿态，鼗在不随程痉上存登羲逶痰鼗差、诗雾效率秘密瓣耱疫舔等映杰。 1 3 本课题的主要研究王作 1 3 。1 研究对蒙 在对三鑫玉度( 3 - d o f ) 酶莠联我褥疆进行了广泛深入磷究瓣慕确上。入稍逐 渐认识到在某热场合，少自出度并联机构由于蒺驱动元件少、造价低、结构紧凑 而宵较离豹实用价毽，更具有较好的发鼹前景。因此对熟进行研究燕得十分必溪。 其中j 期望输蹬逡动为常量豹少岛国发并联机构枫构粼其实怒径强，务基学蠹郝 对其进行了磺究，并建遗了诲多赫魏裁黧。墓孛我获礤裁懿并联瓠稳，麓穗三孚 移弗联机构便感其中的一种。该机构的实物如图t 1 所示。 1 。3 2 研究内容 圈卜1 置平移并联机构实物圈 第一章中蓉巍辩蒡襞挺器天熬发震猿琵、著联裰器人麟究夔主要瓣题、莠联 税器入控蒂研究舱发展状况等闯瑟避行嚣要鲍叙述。突出强调并联褫器人与串联 机器人相比的若干优点和研究重点。蹴所研究的并联机器人机辛句的研究现状进行 说明。 6 江苏大学硕士毕业论文 第二章主要研究枕器人轨迹舰划相关的闻题。在综合一部分现存研究的基础 上，对枧器人机构的运动学、原动件和工作空间等进抒必要的讨论。建立步进电 机驱动并机器人的支路模型。 第三章中首先提出并联机器人分散控制方案。对并联枫构控翩中的轨迹规划 问题做了一定的讨论，并介绍该机构步进电动机驱动时的控制系统设计中的部分 关键问题。在该拳巾还介绍g t 一4 0 0 一s g - p c i 运动控制卡的相关软件硬件情况。 第四章对滑模交结构控制理论进行简要回顾，分析了抖振产生的机理，对如 何消除变结构控制过程中拱振作了阐述，并分绍了变结构控制的发展现状及其工 程应用。 第五章在对模糊瀚模控制做了余绍的基础上，完成了在m a t l a b 环境下对本 文提出的自学习模糊滑模算法和模糊控制算法送行仿真，给出各个控制方案的仿 真结采，并进行了理论分析。 第六章利用v c + + 设计功能完善戆并联机器人控制软件。给出步进电动机驱动 系统控髑的实验结栗。 第七章对本文的研究内容进行了回顾总结，指溉了避一步研究的方囱。 1 3 3 研究目的 本课题研究的意义主要包括以下三点： l 、对我校自行研制的三自由度并联机构的机构学滔题、驱动源闼题进行深入的 研究，解决与该系统控制相关的藉子基础问题。 2 、建立步进电动机驱动的控镑4 系统，设计较完善的控制软件，解决该机器入在 实用化过程中的若干关键性阀题。 3 、建立步进电枫的并联机器人系统的数学模型，推导适合于实际应用的机器入 系统控制方案，通过理论证明和计算机仿真研究控制方案的稳定性和鲁棒性 及其它相关性能。 此外，还可以通过该课题的研究进一步学习和掌握机器人机构学的基本理论、 控制系统的研究方法和实现方法、变结构控制理论的应用、控制系统仿真的技巧 和淞t l a b 在控制系统设计中的应用等。 7 嚣芬大学硬士事照瓷文 1 3 4 研究意义 三孚移莠蔽髓纂天裁穆楚一耱裹凄雾线瞧，疆藕会躲紊壤。虽然该撬褥骞葵 攫蕊豹优点，麴剐度大，结构稳定，承载麓力强，精度礴簿，但是绷聚不能解决 与按难稷关的一爆瓢闻题，该搬构裁无法蜜鼯建用到工业过程中去。本文的基本 耱务虢楚舞决该系绕窭惩健过程孛与控魏稳美黪一系裂阏嚣。零文辩其蠢苓嚣驱 动裟嚣的系统的控制进行了研究，建立了黛鼯的控制巷统，设计了控制软件，给 堪了不隧控铡方察靛实验和铸粪结果。此外，本文还对并联机器人变炼梅控拳理 论进行疆究，辩渗挠交臻穗控裁癍溪魏瓣援瓣麓逶霉亍了深入毒李逾。论文提交戆爨 学翔模糊滑模拣制方案是对瀚模变结构控制耀论的创新，计算机仿真淡明了该方 案鹣忧良性熊。零课题具京较大鼹臻论意义帮实际意义。 1 4 本章小缩 零牵套绥了本谍嚣囊美敦辨究残采及其溪姨，逐瓣漾慧薅窕鳇痰蜜、嚣懿嚣 意义进行了必螫黝说明，为黼瓣的内容骰了必要静铺垫。 8 眭苏大学硕士毕业论文 第二章非对称并联机构的分析及建模 在并联桃构系统提出的基础上，对其结构和工作原理加以了解，进一步深入 遣研究它的运动学及动力学特性，为以后对其进行控制做准备。本章以我校自雩亍 研制的三平移并联枫构为研究对象，并对其运动学模烈、控制系统豹组成及其数 学模型的建立进行分析。 2 。1 菲对称并联机构的提出 可实现三维平动的三自由度并联机构主要有d e l t a 机构8 3 、t s a i 三平移机构 ”1 、s t a rl i k e 机构、黄囊发明的新机构9 1 等近几年来，杨廷力等学者“发明 了多种新型三平移窑阀并联枫构的机型，马履中、尹小琴等与之合作也在此方殛 进行了卓有成效的工作“，j 对称并联机构3 一r r r p ”的原裂是3 - r r c 机构“，如图 2 一l 所示，邸为 r r ，c ， r r c ) 一 r r c 机构它由a ，b 和c 三 条支路及上、下两平台组成每条支路由一个c 副和与之乎行的2 个r 副串联瓶成 其中，a 与8 支路为非平行配露( 2 缎运动副竖非平行关系) ，b 与c 支路为平行 配羲( 2 缀运动剐星平行关系) 。3 个r 副a l ，b 1 ，c ，位于下乎台，3 个c 副a 。，b 3 ， c 。位于上平台以固定平台上的三个转动剽为主动副时，输出变量关于输入变薰 的函数表示为x ，= 五( 镤，吼，岛) ，y ，= y 2 ( 0 2 ，婊) ，z ，= ( 岛，岛) 。可见，输出与输 入间关系呈梯形化关系输出变量y 。与；。的求解是部分解耦的，而x 。的求解则 是不解耦的。由于c 到的存在，传递动力的效果不很理想。因此，綦于运动等效 支路的对称黧扩腠理论，对原型机构进行一次改进，将支路结构s o c - r r r p - ) 中的p 副翔4 个转动副组成的乎行四边形机构( 记为：4 r 机构) 替代，得出对称型 3 - r r r p “”并联瓿构，如图2 2 所示。全部的4 r 枕构位于动平台上，该掇构仅含转 动副，制造安装容易，工作空间较大，但在以圈定平台上的三个转动副为主动剽 时，输出变量与输入变量的函数关系为： 工，= z ( 嚷，岛，g ) ，y ，= 厶 ，馥) ，z ，= 五( 舅，幺，幺) ，该机构具有强耦合性，不利 于控制。为此，对此机构进行二次改进，褥出本文提出的非对称型并联枫构 9 江苏大学硕士毕业论文 图2 - 1s o c _ r rc _ 】支路结构图2 - 2s o c 一r r rp _ 支路结构 2 。2 机构分析 非对称垄并联机构3 - r r r p 锄是以三平移弗联橇构3 - r r c 为原型的新机掇， 其机构的结构特征如图2 。3 所示：它由3 条支路和上动平台、下静平台组成。每 条支路由一个平行四边形4 r 机构和三个r 副组成，其中a 支路与b 支路纛赢配 置( 两组运动副呈垂壹关系) ，4 r 机构位于下静平台上，a ，、a 。、b ，、b 2 分别位于 对成支路上4 r 枫构中与3 个r 副轴线平行的两边之中点，c 支路与b 支路平行 配置( 嚣组运动副曼平行关系) ，4 r 机构位予支路中问，c ；位于b 。、c ，的连线平 行于a 支路的3 个r 副的辆线，c ：、c 。位于该支路4 r 机构中与3 个r 副轴线平 行的两边之中点。 图2 - 3 三平移并联机器人机构示意图 建立如图2 - 1 所示的固定坐标系o - x y z 及动坐标系p 峭y z ，x 轴平行 予b 支路豹3 个r 翮，y 辘平行于a 支路的3 个r 翮，z 轴垂直予巧平面，弗按 右手笛卡尔坐标系确定其正向。设馥为，轴与a 支路上4 r 机构悬挂边岛的夹焦， 1 0 江苏大学硬士毕业论文 沿肖轴芷向为正；0 ：、兄分别为并轴与b 、c 支路上4 r 枫构悬挂边反、五豹夹 角，沿，辘受向为正；g 、o 2 、绣分别为牙轴与a 2 a 3 、8 。& 、c t c 2 的夹角，爿沿 y 轴正向为正，0 i 、幺沿并轴负向为正；g 为a 盛。与蛾的夹角，沿，辅歪向为 正，谚为& b 。与b 函豹夹危，沿j 轴负囱为正，g 为c ；c 2 与c 。& 浆夹角，沿z 轴 负囱为正。所有长度尺寸标注见图2 4 ，琏、鼽鼬岛、岛、觑、厶、五、五分别 表示各秆件长度，a l 、觑、五、姥、巍、五分剐表示点a ，、b ；、c 。、凡、8 ；、c 4 的相 对位置。 在实际的劳联机构系统中：a , ：8 0 ，a 2 ：1 6 1 。2 5 ，& = 1 2 6 4 9 ，a 4 = 8 9 4 4 ，a 。= 3 0 ， 盎= 11 6 ，b z = 1 5 2 9 7 ，b s ：1 0 0 5 ，6 4 = 1 0 4 4 ，舻6 0 ，l = 2 1 2 5 ，l ：1 5 2 9 7 ，l ：9 0 ， l ：1 0 0 ，l = 6 0 ，攀位为毫米。 匹；i 。匹 鹰2 - 4 三平移井联机器人机构投影视图 根据主动副确定准则，选定静平台上的三个旋转输入自、岛、反为主动输入， 应用坐标轴投影法，将三条支路分别淘瓜nz 轴进行投影，如图2 - 4 掰示。 动平台上点a ；、b 。、c 。在固定坐标系o - x y z 中的坐标为： |a 3s i n o ；+ 口4s i n ( o ；。一q ) = x 。 a 4 ： 嚷+ 口2c o s o l = y p + 舔 2 1 ) l 口2s i n o l + a 3e o s o i + 盯4c o s ( o , 一叫) 蔫z p |b l + b 2c o s 0 2 = x p + b 5 b 4 ：岛s i n o ；+ 6 4s i 玎谚一谚) = y p ( 2 2 ) 1 6 2s i n 0 2 + 6 3c o s o ；+ 坟c o s ( 谚一哦) = z p 选落太学矮士华照论窆 jb l + 1 2 c o s 0 3 = x p + 如 舀； 毛( 磊s i n 0 3 + t , ) s i n o ；+ 气s i n ( 嚷一壤) = 是 2 3 ) l ( 2 s i n e 3 i 3 瞄鹤& 湖g 或) = = ， 2 2 1 位鲎分耩 2 。2 i 1 控鬟菠解 醛躲动平台上p 点的位爨( b ，昂，篁p ) ，求输入变蛰壤、& 、绣发中阍交鼙 瑗、哦、域、毹、岛、n 囱式( 2 1 ) 中第二式可知。 蠛= 辩q 互三马琏鹣筇】 ( 芝。毒) a ， 出式( 2 2 ) 审第一式可知。 谚：湖d 蔓尝鸟岛溉嚣j 豫5 0 ， 馥 式( 2 3 ) 中第一式霹粼。 绣：。一t ( 垒掣)毽