（机械设计及理论专业论文）一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究.pdfVIP

疆 、， ， ， f y r l l l l f l l l f tf7l 1 1 3 l lf 8 i f follf1 4 r l f l l 5 i l l 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名。名坤羽 刃萨乡月二细 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： ， 、豳即时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名： 么舯鼋 导师躲旅觚茄唿否月疗日 导师躲界社茄州年6 月 日 。 p 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 摘要 机械技术与电子技术的有机结合，开辟了两者单独都不能达到的新的 应用领域。机械与电子相互交融的广义机构学已成为当今机械学的重要研 究内容。以一种新型平面可控机构为研究对象，在运动学正逆解分析、动 力学建模的基础上，应用复合智能控制策略进行轨迹跟踪控制器设计，具 体工作如下： 分析了其工作空间，并推导了相关工作空间求解方程，进一步分析了 此机构的几种典型的奇异情况，并给出了产生奇异的条件关系方程，并在 此基础上给出了输出参考点的轨迹描述方程式。运用闭环矢量法建立了可 控机构运动学逆解模型，借助消元法导出了机构的正解模型，在此基础之 上，运用拉格朗日法建立可控机构刚体动力学模型，从而为轨迹规划和机 构控制提供了必要的理论前提和技术基础。 以a d a m s 为仿真平台，建立可控挖掘机构的多刚体系统模型，通过仿 真以获得可控挖掘机构相应各主动件以及输出端的运动规律和它们之间的 相互作用力的关系等，为可控机构的电机选配提供了技术参考。 研究了多伺服可控机构复合智能控制策略，将神经网络控制与传统p i d 控制相结合，形成复合型智能控制，以机构在全域内均方根值误差最小为 优化目标，设计一种以b p 神经网络在线整定的p i d 控制器。通过仿真，进 一步研究和验证本文基于动力学模型设计控制器的控制效果，仿真表明， 人 _ o 一、 p i l 卜 v r e s e a r c ho nd y n a m i c sa n dc o n t r o lo fan o v e l ( 、， d p l a n a r3 d o fc o n t r o l l e dm c h a n is m a bs t r a c t m e c h a n i c a lt e c h n o l o g ya n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , t h ec o m b i n a t i o no fb o t h a l o n ec a n n o ta c h i e v en e wa p p l i c a t i o n s m e c h a n i c a la n de l e c t r o n i cb l e n do f g e n e r a l i z e do r g a n i z a t i o nl e a m i n gh a sb e c o m ea ni m p o r t a n tr e s e a r c hc o n t e n to f t h e6 0 s r e s e a r c ho nd y n a m i c sa n dc o n t r o lo fan o v e lp l a n a r3 - d o fc o n t r o l l e d m e c h a n i s m i ni n v e r s ek i n e m a t i c sa n d d y n a m i c sa n a l y s i sb a s e do nt h em o d e l i n g ， t h ea p p l i c a t i o no fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yo fc o m p o s i t et r a j e c t o r yt r a c k i n g c o n t r o l l e rd e s i g nw o r k , s p e c i f i ca sf o l l o w s ： a n a l y s e si t sw o r k i n gs p a c e ，t h es p a c eo fw o r kr e l a t e dt os o l v i n ge q u a t i o n s ， f u r t h e ra n a l y s e st h ei n s t i t u t i o no fs e v e r a lt y p i c a ls i n g u l a rc a s ei sg i v e n ，a n dt h e p r o d u c eo ft h e 。g u l a rt u a t i o n s dc o n d i t iq d a t i o n s h i lb a s e d t h epointproauce o tt l l es i n g u l a re q u a t i o n sa n dc o n d i t i o n sr e l a t i o n s h i pb a s e do nt h eo o i n t o fr e f e r e n c ef o rt h eo u t p u tt r a c kd e s c r i b ee q u a t i o n s u s i n gc l o s e dl o o pv e c t o r m e t h o dt oe s t a b l i s ht h ei n v e r s ek i n e m a t i c sm o d e li sc o n t r o l l e db ye li m i n a t i o n m e t h o do fm e c h a n i s mi sd e d u c e d ，a n db a s e do nt h i sm o d e l ，u s i n gl a g r a n g e m e t h o dt oe s t a b l i s ht h er i g i db o d yd y n a m i c sm o d e l ，c o n t r o l l a b l em e c h a n i s mf o r 雪- o t r a je c t o r yp l a n n i n ga n do r g a n i z a t i o np r o v i d e st h en e c e s s a r yc o n t r o lt e c h n o l o g y a n dt h e o r y a d a m ss i m u l a t i o np l a t f o r mt ob u i l df o rt h eo r g a n i z a t i o na n dc o n t r o l l a b l e m i n i n gm u l t i - r i g i d b o d ys y s t e m s ，t h r o u g ht h es i m u l a t i o nm o d e lf o re a c h i n i t i a t i v ec o n t r o l l a b l em i n i n gm e c h a n i s ma n dr e l e v a n tl a w sa n dt h e o u t p u t m o t i o nf o r c e sb e t w e e nt h e m ，f o rt h er e l a t i o n s h i po fm o t o rc o n t r o lo r g a n i z a t i o n p r o v i d e st e c h n i c a lr e f e r e n c e s t h es e r v oc o n t r o la g e n c i e sc o m p o s i t ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls t r a t e g yo fn e u r a l n e t w o r kc o n t r o l ，c o m b i n e dw i t ht h et r a d i t i o n a lp i d c o n t r o l ，i n t e l l i g e n tc o n t r o l ， t of o r mc o m p l e xi nt h ed o m a i nr m se r r o rs m a l l e s tf o ro p t i m i z i n gt a r g e t s ， d e s i g nak i n do fb pn e u r a ln e t w o r kb ys e r i n gt h ep i dc o n t r o l l e ro n l i n e t h r o u g ht h es i m u l a t i o nt e s t ，t h ef u r t h e rr e s e a r c ha n dd e s i g nc o n t r o l l e rb a s e do n d y n a m i cm o d e lo fc o n t r o ls i m u l a t i o ns h o w st h a tt h eh y b r i di n t e l l i g e n tc o n t r o l s y s t e mf o rm a n ys e r v od r i v et h et r a j e c t o r y r o b u s t n e s s t r a c k i n gc o n t r o lo fh i g ha c c u r a c ya n d k e yw o r d s ：c o n t r o l l e dm e c h a n i s m ；d y n a m i cm o d e l ；t r a j e c t o r yt r a c k i n g ； c o m p o u n di n t e l l i g e n tc o n t r o l i v 目录 第一章绪论1 1 1课题的提出及研究意义1 1 2 国内外相关课题研究现状4 1 2 1 可控机构基础理论的研究4 1 2 2 全伺服驱动的可控机构研究6 1 2 3 伺服电机工程应用的研究7 1 2 4 伺服驱动机械系统控制方法的研究8 1 3 本课题的研究目的、意义与研究内容9 1 3 1 本课题的研究目的与意义9 1 3 2 本论文的研究内容1 0 第二章工作空间及奇异性分析1 l 2 1 引言1l 2 2 理论工作空间分析1 1 2 3 奇异性分析i 1 4 2 4 本章小节一1 6 第三章一种新型平面可控机构运动学分析及动力学建模1 7 3 1 引言1 7 3 2 机构运动学分析1 7 3 2 1 机构介绍1 7 3 2 2 可控挖掘机构的自由度1 8 3 2 3 机构的正运动学求解1 9 3 3 机构动力学模型的建立2 l 3 3 1 机构动力学建模方法的选择2 1 3 3 2 机构动力学模型的建立2 2 3 4 基于a d a m s 的虚拟样机仿真2 3 3 4 1 多刚体系统动力学分析基础2 4 v 口 g - 西大掌硕士学位论文 一种新型平面三自由, n j r - - - d 控机构及其控制研究 第一章绪论弟一早珀y 匕 1 1 课题的提出及研究意义 广义上的机构学也称作机构和机器科学( m e c h a n i s ma n dm a c h i n es c i e n c e ) ，在机械 设计及理论二级学科中占有十分重要的地位，不但在机械工程一级学科中占据着基础研 究地位，而且也是- f - j 具有悠久历史的学科，已经拥有几千年的研究历史。人类文明与 。社会文明的发展一直都与机构学的发展相辅相承，机构学的研究与应用更是有着悠久的 i 沿革l i 】。人类社会设计与制造了各种各样的机器来满足人们不断增长的生产与生活的需 要。机构学的形成与发展一直是紧密联系在各种各样机器的产生与应用，机构学作为机 器的中心部分，如何更加好的完善机器的结构、优化机器的性能、设计与制造新颖的机 器均发挥着不可替代的作用。 挖掘机以其广泛的应用、创造价值高在工程机械中占据着举足轻重的地位，是农田、 水利、建筑工程、能源、交通工程建设以及现代化国防工程建设的重要施工机械。我国 即将成为全球最大的挖掘机市场与产地。至今，挖掘机主要有液压式和机械式两种类 - 型。液压驱动挖掘机具有结构简单、重量轻、可实现很多复杂动作等优点，被广泛采用 口叫。但是液压挖掘机是以液压油为传递动力的介质，当液压系统工作状况较差时，主 要表现为系统发热严重，对系统的可靠性具有严重的影响。液压系统的低可靠性引起的 问题主要有：过高的温度导致密封变软，过早老化，进而造成系统的密封变差；使液压 油粘度降低，不利于润滑油膜形成，造成液压系统部件的加速磨损，使系统泄漏增加， 降低容积效率；使热膨胀系数不同的运动副问的间隙变小造成阻卡。随着挖掘机功能要 求的增加，其液压系统越来越复杂，会造成其故障出现更具有突发性、隐蔽性【7 。9 1 。因 为液压系统的缺陷和局限性，液压式挖掘机多为中、小型挖掘机，许多大型挖掘机还不 得不采用电力驱动的机械式挖掘机 1 0 1 ( 图1 1 ) 。美国是单斗挖掘机发展较早的国家，在 1 8 3 3 年取得单斗挖掘机的发明权，在1 8 3 6 年制造世界第一台机械传动挖掘机。美国机 械式挖掘机在产量、品种、结构、斗容、控制、可靠性、零部件寿命等许多领域一直处 于领先地位，特别是大斗容机械式挖掘机几乎垄断了国内、国际市场。机械式挖掘机是 利用机械传动件带动挖掘机构动作，其优点在于效率高，寿命长，能适应恶劣的矿山工 。 作环境等特点i l 。长期以来，国外的p & h 、b e 、卡特彼勒、小松、日立等著名公司所 生产的挖掘机，几乎垄断了该类产品的国际市场【1 2 。1 3 1 。国内生产矿用机械式挖掘机的厂 厂西大学硕士掌位论文 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 家主要有四家，太原重型机械有限公司、中国第一重型机械集团公司、抚顺挖掘机制造 有限责任公司及衡阳重机有限公司。太原重型机械有限公司是目前中国最大的矿用机械 式挖掘机制造企业，同类产品在国内的占有率在9 5 以上，但国内企业主要是通过合资 生产外国品牌，或者依靠引进国外产品进行仿制。2 0 0 6 年，太重生产出第一台拥有自主 知识产权的大型矿用机械式挖掘机w k 2 0 ，w k 2 0 型机械式挖掘机的成功研制，打破 了外企对中国矿用机械式挖掘机的垄断局面。为我国挖掘机行业的发展积累了宝贵的经 验。传统的机械式挖掘机自身结构庞大复杂且不能完成灵活多变的挖掘动作，即使仅用 于采矿，也常常遇到困难【l 们，如：在挖掘较高台面时斗齿上不能产生更大的切削力：对 于倾斜矿层的清理根底，向装载车中卸载高度偏小等等。因此，人们不得不开始研究开 发一些用于采矿的液压式挖掘机( 又名液压铲) 1 4 】。这类液压式挖掘机由3 个液压缸控 制铲斗行程( 图1 - 2 ) 。但如前所述，因为液压系统自身有不足，液压式挖掘机一直难以 全面应用于露天采矿挖掘作业当中。并且由于液压式挖掘机操作的复杂性，世界各国对 其机器人化的研究亦非常重视【l 孓1 9 1 ，做了一些工作，但离实际应用都仍还有较大距离。 图1 1 机械式挖掘机图1 - 2 液压式挖掘机 f i g 1 1m e c h 柚l c a le x c a v m o rf i g 1 2h y d r a u l i ce x c a v a t o r 多自由度可控机构是机械技术与电子技术有机结合的产物 2 0 1 ，它由多自由度机构和 相应的多个伺服电机组成。其输出运动由多个原动件共同决定，可控机构能够满足柔性 输出的特性，可以实现期望输出的任意运动轨迹要求，而且可以方便的实现停歇运动规 律的需要等优点。这种并联机构的动力性能也比串联形式的传统机械手优越得多，因为 ， 并联机械的伺服电机都可以安装在机架上，避免了串联机构的每一原动件的驱动伺服电 机大都安装在其铰链处，导致刚性差、惯量大的问题。因此，上世纪9 0 年代初以来， 可控机构成为研究的理论前沿，可控机构不但建立在传统机构学理论与机构创新的设计 2 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 理论，而且兼具机器人领域特别是构型为并联的机器人的相应理论，所以，可控机构所 涉及的研究领域拥有十分明显的学科交叉性和创新性。有关这类新型机构的研究得到了 足够的重视，如：混合输入五杆机构构型的分析1 2 i j ( 图1 3 ) 、精确实现成组轨迹的两自 由度连杆机构逆运动学综合f 2 2 l 、可控连杆机构系统预定轨迹下的动态优化综合【2 3 1 、广义 机构概念设计知识库1 2 4 l 、受控机构优化的“二步综合法，1 2 5 】、应用可控机构压力机的研究 f 猢o 】、混合驱动五杆、六杆、七杆可控机构的运动学、动力学研耕3 明( 图1 4 ) 、混合 驱动机械系统的速度波动、跟踪控制的研列州l j 等问题得到了较广泛的研究。 图1 - 3 平面二自由度五杆机构图l - 4 平面二自由厦七杆机构 f i g 1 - 3p l 锄茁t 、od o ff i v eb a rm e c h 觚i s m f i g 1 4p l a i l 盯t 、od ) fs e v e nb a rm e c h 觚i s m 目前，国内外的众多学者对可控机构开展了许多有意义的研究，但总体来说，研究 的成果还不够完善与全面，大部只是以特定的可控机构为研究对象进行( 如：两人自由 度五杆可控机构) 的运动分析与综合，或者其动态特性研究【4 2 彤】。距离形成针对可控机 构比较系统完善机构设计与综合理论，相应的可控机构控制理论的有机体系，还需要长 时间研究经验的积累。目前能够和工程实际应用相结合的可控机构的设计与研究还比较 少见，主要在印刷机械、压力机等方面取得了一定成果，如r o c k w e l l 公司、鼬r e e c ia 等将可控机构应用于打印机，上海紫光研究所将可控机构应用于印刷机械取得了较好的 效果 3 5 】，天津大学黄田教授等在混合驱动可控压力机的研究方面取得了较好的成果 【2 o 】。但由于这类新型机构构型多为并联形式，不但可以达到高精度、高效率、大负载 地运行，并且还拥有十分好的柔性输出的能力。这些优点与目前机械产品正向高速化、 精密化、柔性化、多样化的要求相符，因此，可控机构的应用前景将是十分广阔。要充 分发挥可控机构优点，在工程领域得到广泛的应用，还需要有针对性的对相应的机械产 品做大量的探讨、研究工作。 3 广西大学硕士掌位论文一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 随着现代机构学研究的日益深入以及大功率伺服电机的成熟发展、控制策略的完 善。已经有许多具有优异性能、柔性输出、机电融合的新型机械产品应用到社会生产当 中【2 0 2 & 3 0 。最近，人们在应用方面取得了一些突破，如研究应用这种机构的压力机，拟 取代现在的液压压力机【2 5 2 9 1 。 因此，可控机构的创新设计、型综合、轨迹分析与综合、构型与曲柄存在条件、运动 学分析、动力学分析、控制系统设计与实验平台研制的研究，对提升可控机构理论研究 水平和实际应用价值具有重大的现实意义。 1 2 国内外相关课题研究现状 1 2 1 可控机构基础理论的研究 可控机构是指单自由度机构中的某些结构运动参数或机构的输入运动和多自由度 闭链机构中的某些运动，这些运动可由微机进行实时控制或以人工手动方式进行多固定 位置的控制，可以实现柔性输出，改善机构的运动特性和动力特性】。可控机构按其驱 动类型及驱动方式的不同，可分为可调机构、变输入转速机构( 图1 5 、图1 6 ) 、电子凸 轮机构、混合驱动( 输入) 机构。可调机构需要人工调整机构的结构参数，柔性较差。 变输入转速机构的设计理论较为成熟，有系统的设计流程。其他类型的可控机构，如电 子凸轮机构( 图1 7 ) ，多自由度混合驱动可控机构的研究还存在许多不足之处。九十年 以来，英国利物浦科技大学的j o n e s 和t o k u z f 4 7 5 0 l 教授在研究总结传统机构与可控机构 的优缺点的基础之上，提出一种兼具优势的新的机械系统方案，称之为“h y b r i d m a c h i n e ，他们由此提出混合驱动机构的思想。并且深入研究了这类机构，并完善了 “h v b r i dm a c l l i n e ”思想。 图1 5 机械式变输入机构系统 f i g 1 - 5m e c h a n i c a lv 撕a b l ei n p u ts y s t e m 4 图1 6 伺服式变输入机构系统 f i g 1 6s e r v 0v 撕a b l ei n p u ts y s t e m 广西大掌硕士掌位论j r 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 凸轮轮廓存储器p r o m i i 带有i o 的微处理器和凸轮程序 上 d a 转换装置 1r 执行机构控制器 r 执行机构 图l - 7 电子凸轮机构的系统框架 f i g 1 - 7t h es y s t e mf r a m e w o r ko f e l e c t r o n i cc a mm e c h a n i s m 在j o n e s 和t o k u z 教授奠定了混合驱动机构思想后，引起了国内外众多学者的研究 热潮，对混合驱动机构进行了更加系统的研究，其中比较有价值的如下所述： c j r e e n o u g h 和j o n e s 教授剐为了解决t o k u z 与j o n e s 研究中遗留的“停歇段对可控电 - 机功率输出需求的影响较大”的难题，把平面二自由度七杆机构作为输出运动的合成机 构，也实现了变轨迹输出运动。 a l i 5 2 1 教授基于混合驱动理论，设计一款混合驱动系统，其两个输入动力分别由常 速电机与可控电机驱动，得到了具有“柔性 的输出运动。并通过实验验证：通过对输 出轨迹进行规划，能够达到常规电机的功率需求是可控电机的3 5 倍。 一h e r m a n 教授【5 3 1 基于混合驱动理论，设计一款以差动轮系做为合成机构的混合驱动 系统，系统驱动一个凸轮机构来得到“柔性 的输出轨迹，通过仿真证明：选用混合驱 动系统相比全部采用可控电机驱动，可控电机最大输出功率与力矩为原来的3 0 。 c o n n o r 教授【5 4 】设计一款能够达到轨迹合成的混合驱动五杆机构，并基于遗传算法 优化研究了特定轨迹的混合驱动五杆机构尺度综合问题。 s e s h a 教授f 5 5 】采用混合驱动五杆机构的柔性运动输出的能力取代了变廓线凸轮机 构。 ” 国内对于可控机构研究成果比较有价值的如下所述。东南大学程光蕴冈等人采用含 v 有移动副的混合驱动五杆机构来达到精确的输出轨迹。他提出两步设计方法，首先使滑 块固定，这样机构就变成一个单自由度的四杆机构，基于优化综合设计理论优化该机构 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 的几何尺寸使机构能够较精确地输出给定轨迹；其次在四杆机构的基础上使滑块能够任 意调节其位置，运动的补偿与调整由可控电机来完成，通过以上两步实现了混合输入五 杆机构精确输出特定轨迹。 武汉科技大学的孔建益教授【57 】的研究成果体现在应用五杆机构，利用可控电机进行 运动补偿与调节，从而达到输出精确运动规律，输出给定的函数等方面。但是他所研究 的大多是实现单一的运动输出轨迹。 刘建琴1 5 8 1 的主要研究集中在混合驱动的“弹性连杆机构合成轨迹精度控制的理论和 实验研究”，采用的措施是调节曲柄长度，来达到降低弹性连杆机构的动态响应，从而 达到运动轨迹的误差得到动态的补偿，在优化曲柄长度的变化规律精确的基础上，以平 面四杆机构为合成机构，并通过实验得到了柔性输出验证。 张新华s 9 1 的博士论文“实现轨迹合成的混合驱动可控机构分析与综合”，对混合驱动 机构作了两种分类：半柔性混合驱动机构和全柔性混合驱动机构，并对两种类型的机构 进行了可动性条件、曲柄存在条件等方面进行了深入的理论分析，针对实现成组输出轨 迹做了了尺寸综合。 综上所述，虽然国内外的众多专家学者对可控机构倾注了大量的热情也获得了许多 有益的研究成果，但是由于机械系统理论还不成熟，还没能够形成完善而系统的理论。 对可控机构的研究也只是达到了对机构学中的比较简单运动规律的运动学的分析和综 合的程度，以及再现成组运动输出轨迹的分析与综合，针对比较深入的可控机构动力学、 可控机构的智能控制，可控机构驱动电机的功率分配、相应的仿真软件的开发与实验设 备的研制等都没有进入深入的研究。 1 2 2 全伺服驱动的可控机构研究 ， 在研究混合驱动机构相应特性的同时，也有许多专家学者针对驱动全部为可控电机 的可控机构也做了许多有益的尝试，得到了许多具有指导意义的成果，其中比较有价值 的成果主要有如下： 颜鸿森，陈伟仁唧1 等学者利用计算机编程控制的直流可控电机驱动凸轮达到变速度 运动的效果，并以此来调节从动件的运动学特性；基于计算机编程控制的直流可控电机 来控制曲柄滑块机构来达到柔性输出的能力；基于计算机编程控制可控电机驱动 w a 仳哆p e 压力机，在优化可控电机输出的基础上，调节滑块的输出轨迹，以达到压力机 加工工艺的要求，并同时改善了整个机构系统的特性。 6 广西大学硕士掌位论文 一种新型平面三自由度可控机构及其控镰研究 c h e w 和p l 锄1 6 1 1 通过仿真研究表明，通过控制可控电机的输出控制凸轮变速度运动， 从而达到并改善了从动件的运动学特性，也达到了降低从动件的残余振动的特性。 姚燕安，颜鸿森，张策【6 2 1 等设计了凸轮机构的主动控制机械系统，凸轮机构驱动源 与控制源来自计算机编程控制的可控电机，构成凸轮机构系统的主动控制机械系统，在 控制凸轮转速度变化的基础上，通过实验验证得到机构的输出运动达到了希望的运动学 特性和动态特性。 1 2 3 伺服电机工程应用的研究 目前，可控电机的加工制造工艺和控制策略进展迅猛。尤其是交流永磁同步可控电 机由于采用新型的永磁材料，可控电机的性能得到了极大的提高。功率3 0 w “0 k w 转 矩0 3 n m 2 0 0 n m 的可控电机的制造工艺已经十分成熟，已经实现了批量生产，目前采 用永磁材料的可控电机已经占据了较大的比例，各个功率阶段的电机均已经拥有商品化 的成熟产品可供选用。伴随着电力电子元器件的成熟以及控制理论研究的深入，目前控 制已经进入到了智能控制的时代，发展比较成熟的智能控制策略主要包括：专家系统、 模糊控制、神经网络控制。 目前，由于微电机技术、电力电子技术和控制技术的迅猛发展，以及微型计算机性 能的提高，变频调速及高性能交流伺服控制技术已经进入实用化阶段。交流伺服系统的 性能已经达到甚至超过了直流伺服系统，并已在机械手、机器人以及各种精密数控机床 等方面得到越来越多的应用。用交流伺服取代直流伺服已经成为伺服系统发展的必然潮 流。 基于可控电机的制造工艺技术和电机的控制理论研究，日本、美国、中国台湾、中 国大陆的众多专家学者对此进行了许多有益的尝试。 日本会田公司和发那克公司1 6 3 】合作研发了一款具备高生产效率的专门用于生产小 件产品的的压力成型机“伺服成型设备a f 系列”。日本m u t a t e c 公司研制生产了 m o t o r u m 2 0 0 0 转塔式冲床( 图1 8 ) ，采用伺服控制来改进了原有冲床的工作性能并 提高了生产效率。 美国俄亥俄州大学的机械制造工程中心的r s 1 1 i 、，p 埘和s y o s s i f o n 【6 4 1 等人以可控电 机为核心的控制系统驱动的双肘杆压力机为研究对象( 图1 9 ) ，研究开发了一款可控电 机驱动的双肘杆式压力机，通过比较此款新型压力机与传统的连杆驱动压力机的机构特 性；在优化了此新型压力机的尺寸参数的基础之上，使其达到在满足加工工艺要求的同 时，保持在压力机的加载过程中电机的转矩和速度达到不变；通过针对机构进行参数化 7 广西大掌硕士学位论文 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 设计，在运动学、动力学参数分析的基础上，制造了新型的3 0 t 双动式机械压力机，改 善了原来压力设备的性能。 台湾成功大学的r o n g f o n gf u n g 和k e n w a n gc h e n 6 5 1 等人应用可控电机来调节曲柄 滑块机构，精确调节了滑块的位置。r o n g f o n gf u n g 等把机构与可控电机作为整体研究 对象，运用h a m i l t o n 原理与l a g r a n g e 第二方程推导了整个机电系统的运动学和动力学 方程，在系统参数已经设定的条件下，设计了具有自适应能力的控制策略，在调节作用 于滑块外力载荷与滑块质量的情况下，研究了外载荷对整个机电控制系统控制精度的影 响。研究结果证明，具备自适应能力的控制策略，能够控制可控电机调节机构的输出。 在精确控制电机转速的情况下达到了精确控制机构输出函数的性能。 伺廒电机 图1 - 8 伺服电机驱动的冲床图1 9 伺服电机驱动的双肘杆压力机 f i g 1 8s e r v op u n c h f i g 1 9s e r v od o u b l eb a rp r e s s 浙江大学叶云岳教授【吲从8 0 年代末开始研究可控电机驱动的锻压机械，研发一款 由直线电机驱动的小型压力机。 综上所述，由于电力电子技术和永磁材料技术的发展，伺服电机的性能已经取得了 非常大的进步，为其在工程中更大范围内的应用奠定了基础。 1 2 4 伺服驱动机械系统控制方法的研究 机构系统按照机构的结构构型依据可以将机构分析两大类：一类为串联机构，另一 类为并联机构。目前在生活以及工业生产中应用的多为串联式的机构，所谓串联式的机 构主要特征为：每个活动杆件串联组成整体的机构，并且其驱动电机安装于杆件连接的 关节处，每个杆件都要承受串联于其后的所有杆件与电机的重量，这样一来就必然造成 串联机构的刚度差，累积误差高，惯性大等缺点。但是串联机构也有其不可忽视的优点， 8 广西大学硕士掌位论文 一种新参芝平面三自由度可控机构及其控制研究 串联机构比较灵活，工作空间为以其所有杆件之和为半径的圆或者圆球。对于并联机构 来讲其具有如下优势：并联机构一般为多环机构，这样刚度大，承载能力强成为其本身 固有的特性，并且由于多环的相互制约性能提高了并联机构的运动精度。并联机构与串 联机构在许多方面的特点达到了互补，这样就扩大了机构的使用范围。目前，国内许多 大学已经开展了并联机构的研究工作，并取得了许多成果，试制出了一批具有国际水平 的样机，对于并联机构的研究方兴未艾。国于并联机构的特点是结构复杂、多参数耦合、 多变量的非线性系统，并联机构的这种特性对控制系统提出更加苛刻的要求，由于传统 的p i d 控制策略以及现代控制理论都存在着许多先天的不足，并不能适应目前并联机构 控制的要求，故而越来越多的研究都将并联机构的控制解决办法转向了智能控制策略。 因为并联机构具有很强非线性与强耦合性，要建立准确的动力学模型十分困难，对于庞 大系统而言也是不现实的【6 乃。因为智能控制策略是不严格以控制模型为基础的，具有广 泛的适用性，目前在工业应用中神经网络智能控制理论已经比较成熟，尤其是针对高度 非线性和严重不确定性系统的控制方面具有优势，这些优势也正是并联机构控制系统所 迫切需要的，所以神经网络控制策略广泛应用于并联机构系统的控制中，应用神经网络 控制理论处理机构系统的非线性和不确定性以及逼近机电控制系统的辨识函数等f 6 羽。 每种控制理论之所以能够得到发展与应用都有其生命力所在，智能控制理论作为正 处于发展阶段的理论，虽然其具有不可比拟的优势，但也不可否认智能控制理论还有待 于进一步的研究发展。故而将几种控制策略进行优势互补地进行复合控制研究成为一种 新的解决问题的办法眇j 。目前研究比较多并且比较成熟的复合控制策略主要由以下两个 方面：一方面是属于智能控制策略之间的有机结合，设计成高级复合智能控制系统，如： 模糊神经网络控制系统、模糊专家系统、基于遗传算法的模糊控制系统等；另一方面是 属于智能控制策略与传统p i d 控制策略结合形成的复合智能控制策略，如：神经元p i d 控制、模糊p d 控制、神经网络滑模控制、神经网络最优控制等。由于可控机构目前成 为机构学领域的研究热点，从而也带动了适合可控机构应用的复合智能控制的研究，并 取得了许多有价值的成果。 1 3 本课题的研究目的、意义与研究内容 1 3 1 本课题的研究目的与意义 在电力电子技术、控制策略研究、信息技术、可控电机等新技术、新理论快速发展 的基础之上，现代工为生产中小批量生产将变为主导，这就要求生产中的设备具备一定 9 广西大掌硕士掌位论文 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 的柔性，以达到一机多能，能够满足社会发展的多样化需求。运动可控化、机电一体化、 控制智能化等正成为现代生产设备新的特征。这些新特征、新需求，生产的需求必将指 引机构的研究方向，目前可控机构方兴未艾的研究热潮也正是符合了社会生产的需要， 基于此可控机构将会获得更加广阔的发展空间。 综上所述，目前需要对可控机构的控制策略进行研究探索，以解决可控机构所要求 的柔性化输出。通过选择合适的控制策略来设计控制器，使可控机构具有良好的轨迹跟 踪性能，体现出可控机构真正的价值与意义。 1 3 2 本论文的研究内容 本论文主要针对一种采用全伺服驱动的新型平面三自由度可控机构进行研究。参考 现有研究成果的基础上，对全伺服可控机构进行动力学建模和控制方法研究。研究的内 容主要包括以下几个方面： l 、求出了一种新型平面三自由度可控机构的工作空间解析解，对于在形式上为并 联的机构而言，工作空间边界解析式的得到，不仅有利于机构的实际应用，而且可以指 导机构的设计；分析了可控机构几种典型的奇异情况，并给出了奇异产生的条件。 2 、针对一种新型平面三自由度可控机构运用闭环矢量法建立了运动学模型，并且 基于拉格朗日法建立了可控机构的动力学模型，为运动学与动力学分析打下良好基础， 也为接下来的控制研究提供了依据。在理论分析的基础之上，利用仿真软件a d a m s 对 可控机构进行了运动学与动力学的仿真，仿真结果为电机的选配和控制策略的选择提供 了仿真数据支持。 一 3 、针对控制系统的要求，以动力学模型为基础，选择b p 神经网络智能控制策略与 传统p i d 控制策略相结合的方法，设计了一款b p 神经网络整定p i d 控制器。对设计的 b p 神经网络p d 整定控制器进行了仿真分析，这种复合智能控制策略克服了单一控制 策略的不足，仿真结果表明了此复合智能控制策略具有良好的轨迹跟踪能力和良好的鲁 棒性。 1 0 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 第二章工作空间及奇异性分析 2 1 引言 工作空间分析是机构运动学分析和设计的核心内容。目的是为了清楚地了解工作空 间的大小、形状和位置，能够对执行末端的运动范围做出评价。一般说的工作空间指在 已知尺寸与关节变量范围条件下，机构执行末端实际的到达区域，工作空间成为机构的 主要性能指标之一。 工作空间是机构末端上的参考点所能到达的区域，依据机构工作时的位姿特点，将 机构的工作空间分成可达工作空间与灵活工作空间，实际上根据不同的问题的分析可分 为以下几种3 2 1 ： 1 、可达工作空间：即为最大理论工作空间，指机构末端参考点至少在一个位姿下 所能达到的点的集合。 2 、全工作空间：执行端参考点在所有位姿下所能达到区域的集合，通常表达成一 个体积。 3 、灵活工作空间：参考点以任意位姿都能达到的点的集合。 4 、次工作空间：参考点在可达工作空间内其位姿受限制点的集合。 本章求出了一种新型平面三自由度可控机构的工作空间解析解，对于在形式上为并 联的机构而言，工作空间边界解析式的得到，不仅有利于机构的实际应用，而且可以指 导机构的设计；分析了可控机构几种典型的奇异情况，并给出了奇异产生的条件。 2 2 理论工作空间分析 工作空间是机构末端参考点所能到达的区域范围，严格地说，由于可控机构存在位 姿的问题，机构的工作空间并不是各个分支工作空间的交集，但是对于平面机构而言， 其输出参考点只是平面坐标中的位置，没有姿态的概念，因此对于平面机构来说，工作 空间就是其分支工作空间的交集汛3 2 1 。 新型可控机构如图2 - 1 所示： 如图2 1 所示，可控机构的输出参考点选用点f ，连接动平台的支链有两条，先以 其中一条为对象分析其工作空间，首先对包含五杆机构的支链做出其工作空间分析，因 为c 点与f 点在由( 如+ 乇) 构成的折杆上，故c 点和f 存在以下关系，设c 点的坐标 图2 一l 平面三自由度可控机构 f i g 2 1p l a n a r3 - d o f c o n t r o l l e dm e c h a n i s m 故只要求出此支链包含的五杆机构的铰接点c ，就可以得到参考点f 的数学表达式， 下面求出五杆机构铰接点c 的坐标，运用闭环矢量法建立五杆机构的闭环矢量方程： t , + t 2 = ls + 7 3 + 厶 (2-2) 向x , y 方向投影，得： 1 , c o s o , + t , c o s o , = 毛+ ，3c o s 岛+ ，4c os只(2-3) 【s i n o l + 乞s i n 0 2 = 毛s i n 0 3 + 厶s i n 0 4 消元幺得到方程： asin03+bcos03+c=0(2-3) 其中： a = 2 1 3 ( 1 4s i n 0 4 一s i n o m ) b = 2 ，3 ( ，5 + 1 4c o s 0 4 一c o s 0 1 ) c = ( 毛+ t , c o s e , - t , c o s o , ) 2 + ( 1 4s i n 0 4 一，ls i n q ) 2 + g 一譬 代入方程求解可以得到： 苎查竺竺主竺竺竺文 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 一- 一 ：= = = = ：二 峥t 觚一，a + 4 a 2 + b 2 - c 2 ：1 ( 2 4 ) 同理可得： d = 2 ，2 ( s i n g 一，4s i n 8 4 ) e = 2 乞( e o s o , 一，5 一厶e o s 8 4 ) f = ( is i n o t 一4s i n 8 4 ) 2 + ( c o s o l 一，5 一t , c o s 0 4 ) 2 + g g 卿耐f雩d+_,oid2+e2_f2、l 5 ) l e 一， j 7 对于式( 2 4 ) ，( 2 5 ) 中正负号的选择，是由机构的装配初始结构来决定的，正负 号选择的对应装配情况如图2 - 2 所示： 取讵号时 图2 - 2 两组解装配构型 f i g 2 - 2t h et w of o r w a r dk i n e m a t i cm o d e l s 对于包含此包含五杆机构的支链装配情况选为平方根为正，如图2 - 1 所示，由机构 几何关系可以得到c 点的坐标( k ，y c ) ： 芰三2 c s 。i n s o 儡二乏s c i 。n s o 岛c26，： 【虼= + 厶 一 将式( 2 5 ) ，( 2 6 ) 代入式( 2 1 ) ，得到输出参考点f 的坐标表达式： 接下来针对连接动平台的第二条支链进行分支工作空间的分析，从铰接点f 拆开， 1 3 吾 、一 纯 张 嗡 至 姒 广西大学硕士掌位论文 一种新型平面三自由度可控机构及其控制研究 第二条支链由杆件，7 + f 8 + ，9 串联而成，则此串联机构所能到达的工作空间分为以下二种 情况：