（机械设计及理论专业论文）一种三平移并联机器人及其多轴控制研究.pdf

江苏大学硕士论文 摘要 信息时代的高新技术流向传统农业，引起传统农业的深刻变革拳 微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力相结合， 促使农业开始了_ 场大规模的机电一体化的技术革命。机电体化技 术已经越来越受到各方恧的关注，在机电一体化技术迅速发展的同 时，运动控制技术作为其核心部分，也得到了前所未有的发展。 本文主要通过对已经加工的秧苗移栽机器人进行控制实验，在实 验过程中发现，该移栽机器人具有机构杆长较长，杆件刚度不够，运 动副之间接触面积较小，引起副的变形过大，原动件减速器传动比过 大，造成机构工作效率较低等缺点。因此，对于机构的改进分析中， 本文主要做了如下工作： ( 1 ) 本文对3 - c g g 并联机构的各分支进行重新配置，提出了一种新型 的三自由度并联机构。 ( 2 ) 提出了一种可约系统的概念，并遥过计算论证了该机构是一种完 全可约的机构，其输入与输出之闻具有着一一映射的关系。 ( 3 ) 对该机构进行了奇异位形分析，速度性能指标分析及灵巧度分 析，由分析可知，机构具有非常好的运动传递性能，运动学各 项同性性能非常好，灵巧度和控制精度可以达到最优值。 ( 4 ) 在考虑工作空间和机构整体刚度的基础上对机构进行了杆长优 化设计，并利用机构在结构、运动、干涉等方面的相互关系，建 立起机构的各个构件的参数同驱动参数的关系。 ( 5 ) 通 过m a t l a b 仿真，得到了该并联机构工作空间示意图。 江苏大学硕士论文 本文对改进后加工完毕的秧苗移栽机构进行了控制研究，主要做 了以下工作： ( 1 ) 选用阶梯式控制系统的设计思路，即用基于w i n d o w s 操作系统 的台式机作为上位机，完成数据的存储与复杂计算，用以d s p 为核心的多轴伺服控制卡实现多轴联动的实时控制。 ( 2 ) 根据系统实际工作中所需要的驱动力，对步进电机进行了合理 的选择，并在实际的控制中，证明了该步进电机能够保证系统 的顺利工作。 ( 3 ) 在步进电机驱动系统中，由于多重非线性因素的影响，使得系 统的控制精度较低，为了解决该问题，本文引入了带微调前馈 补偿功能的模糊p i d 控制器，并在实验过程中发现，使用该控 制器能够有效的减小控制误差，进一步提高系统的控制精度。 ( 4 ) 本文用v c - h 语言设计了机器人系统的计算机控制软件，并在程 序中添加了系统故障诊断模块，以保证当控制系统出现一些较 小的问题时能通过程序快速解决该问题。 关键词：秧苗移栽，并联机构，运动控制，闭环系统，自适应模糊 p i d ，运动仿真 江苏大学硕士论文 a b s t r a c t h i g ht e c h n o l o g yo fi n f o r m a t i o na g e f l o w st ot h et r a d i t i o n a l a g r i c u l t u r e ，w h i c hl e a d st ot h ed e 印r e f o r mo ft r a d i t i o n a la g r i c u l t u r e m i c r o - e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dm i c r o - c o m p u t e rt e c h n o l o g ym a k et h e i n f o r m a t i o na n di n t e l l i g e n c ec o m b i n ew i t hm e c h a n i c a le q u i p m e n ta n d d y n a m i c a l ，w h i c ha c c e l e r a t eal a r g es c a l eo fm e c h a t r o n i cr e v o l u t i o ni n a g r i c u l t u r e h i g h e f f i c i e n t 瞰t o 黟a g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o ni sad o m e s t i c a n do v e r s e a sn e wd e v e l o p i n gi n d u s t r yt e c h n o l o g y , w h i c hh a sa l r e a d y m o v e dt o w a r d sp r a c t i c a l i t ya n di n d u s t r i a l i z a t i o ni ns o m ed e v e l o p e d a c c o r d i n gt ot h ec o n t r o lt e s to f t h em a n u f a c t u r e dt r a n s p l a n tr o b o t , i t s h o w st h a tt h e r ea r em a n yd e f e c t so fi ts u c ha st h em e c h a n i s mc o u p l e r w a st o ol o n g ，i n s u f f i c i e n tr i g i d i t yo fc o u p l e r , t h e & l e ao fk i n e m a t i cp a i r w a st o ol i t t l e ，a n ds oo n a l lo ft h e s el e a dt ot h el o ww o r ke f f i c i e n to ft h e m e c h a n i s m t oa m e l i o r a t et h e s ed e f e c t s ，w em a i n l yd os u c hw o r ki nt h i s p a p e ra sf o l l o w s ： 1 。3b r a n c ho f3 - c r ra r ec o n f i g u r e di nan e w w a y , t h e nan e w k i n do f 3 - d o f d e c o u p l e d t r a n s l a t i o n a lp a r a l l e lm a n i p u l a t o ri sg o t t e n 2 an e wd e f i n i t i o no fr e d u c i b l em e c h a n i s mi sp u tf o r w a r d a n dt h r o u g h c a l c u l a t i o n , t h i sm e c h a n i s mi st e s t i f i e dt h a ti ti sr e d u c i b l e ，i t so u t p u t m a p p e d w i 墩i t sm p u t 3 w ea n a l y s e dt h ed e x t e r i t yd e g r e e , t h ev e l o c i t yp e r f o r m a n c ei n d e xa n d h i 江苏大学硕士论文 s i g u l a rc o n f i g u r a t i o no ft h em e c h a n i s m ，a n di ts h o u w st h a tt h i s m e c h a n i s mh a d v e r yg o o dk i n e m a t i c - t r a n s f e rp e r f o r m a n c e ，t h e k i n e m a t i ci s o t r o p yi sv e r yg o o da n dt h ed e x t e r i t yd e g r e ea n dc o n t r o l p r e c i s i o nc a nr e a c ho p t i m a ld e g r e e 4 i nv i e wo ft h ew o r k s p a c ea n d t h ew h o l er i g i d i t yo ft h em e c h a n i s m ，a l l o p t i m i z a t i o nd e s i g n o fm e c h a n i s m c o u p l e r w a sg o t w i t ht h e r e l a t i o n s h i po fs t r u c t u r e ，m o t i o na n di n t e r v e n t i o n ，t h e nw ed e s i g n e d t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so f e v e r yl i n ka n dd r i v e s 5 w i t hm a t l a b ，t h e w o r k s p a c ef i g u r eo f t h et r a n s p l a n tr o b o ti sg o t i nt h i sp a p e r , ac o n t r o lr e s e a r c ho ft h et r a n s p l a n tr o b o ti sa l s od o n e 1 1 1 et a s k sa r e2 u sf o l l o w s ： 1 as c a l a rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d t h i ss y s t e mc o n t a i n sap e r s o n a l c o m p u t e ra n dam u l t i - a x i sm o t i o nc o n t r o l l e r 1 1 1 ep ci su s e dt os t o r e d a t aa n dt oc o m p l e t ec o m p l e xc a l c u l a t i o n t h em u l t i a x i sm o t i o n c o n t r o l l e r , w h i c hi sb a s e do l ld s p , i su s e dt or e a l i z et h er e a l - t i m e c o n t r 0 1o fm u l t i a x i sm o t i o n 2 a c c o r d i n g t ot h ea c t u a ld r i v ef o r c e ，t h e s t e p m o t o ri ss e l e c t e d r e a s o n a b l y w i t hr e p e a t e dt e s t , i ts h o w st h a tt h es t e pm o t o rw e s e l e c t e dc a l le n s u r et h es y s t e mt ow o r ki nn o r m a ls t a t e 3 a c c o r d i n gt os o m ed e f e c to fs t e pm o t o rc o n r t r o ls y s t e ms u c ha st h e i n f l u e n c eo fn o n l i n e a rf a c t o r s ，a na d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e rw i t i l t h ef u n c t i o no fe r r o r c o m p e n s a t i o n w a s a d o p t e d 晰t l l s o m e i v 江苏大学硕士论文 e x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t ss h o w st h a tt h ec o n t r o l l e rh a sn o to n l y n o n o v e r s h o o t i n ga n df a s ts e t t l i n gp r o c e s s ，b u ta l s oh a sh i 醢a d j u s t i n g a c c u r a c y 4 t h ec o n t r o ls o f t w a r eo ft h et r a n s p l a n tr o b o ti sd e s i g n e db yv i s u a l c 郴。0 。i nt h ep r o g r a m , w ea l s od e s i g nm o d u l eo fm a l f u n c t i o n d i a g n o s i st oe n s u r et h a tw h e nt h e r ea l es o m el i t t l ep r o b l e mi nt h e c o n t r o lo ft h e s y s t e m , t h ep r o g r a m c a nd e t e c ti ta n ds o l v ei t i m m e d i a t e l y k e yw o r d s ：s e e d l i n gt r a n s p l a n t , p a r a l l e lm e c h a n i s m , m o t i o nc o n t r o l ， c l o s e d - l o o ps y s t e m , a d a p t i v ef u z z yp i dc o n t r o l l e r , m o t i o n s i m u l a t i o n v 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用韵内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：多马叶彬 日期： 1 年，t 月7 v 日 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保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 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。 本学位论文属于 保密a ，在年解密后适用本授权书。 不保密文 学位论文作者签名：) 和他指导教师签名： 研年，j 月，日 加7 锄堋哆日 江苏大学硕士论文 一 第一章绪论 1 1 农业机械的国内外研究概况 “十一五”时期是推进社会主义新农村建设的关键时期，也是加快现代农业建 设的重要时期。农业科技的现代化是必由之路，这使信息时代的高新技术流向传 统农业，引起传统农业的深刻变革。 在国外由于劳动力成本高，温室内机械化作业技术十分发达，机器人在植物 工厂的研发应用已被广泛重视，并取得初步成果。日本农业领域的机器人研究始 于8 0 年代初期，但是在这方面它进展很快。据报载，日本一座8 0 0 平方米的小蔬 菜工厂，栽培速生菌苗和小白菜，每天可收蔬菜1 3 0 公斤，折合每亩生产1 0 万公 斤，而这个植物工厂只需2 个工人管理，可见其效率之高。奥地利、丹麦、美国、 英国等国也先后建立了一批植物工厂，用于试验研究和展示生产，植物工厂内以 采用营养液栽培和自动化综合环境调控为重要标志。植物工厂能免受外界不良环 境影响，可保证一年中多茬栽培、高技术密集型省力化作业。 我国目前还处于农业机械化的初级阶段，发展农业机器人要从我国实际情况 出发，目前要紧跟国际农业机器人发展的步伐进行一些基础性研究，设计制造一 些适应我国国情的农业机器人，并初步应用于一些形成规模的经济价值较高的作 物种植中。虽然现阶段在我国大力发展农业机器人是不现实的，但是，随着科技 水平的不断提高，农业规模化的不断发展，农业机器人这一现代农业的先进生产 工具，将逐渐在我国农业生产中发挥巨大作用。 1 2 并联机器人研究现状 1 9 6 5 年，德国s t e w a r t 发明了六自由度并联机构，并作为飞行模拟器用于训练 飞行员【。澳大利亚著名机构学教授h 唧t 于1 9 7 8 年提出将并联机构用于机器人手 臂 2 1 。随后，m a c c l 洳和p h a m d j 首次将该机构按操作器设计，成功的将s t e w a r t 机构用于装配生产线，标志着真正意义上的并联机器人的诞生，从此推动了并联 机器人发展的历史网。典型的s t e w a r t 并联机器人【4 1 如图1 1 所示。 目前，世界上很多国家都在研究各种并联机器人，并将其应用于生产和科研 中。俄罗斯、美国、日本、德国都先后研制出了并联机床( 也称虚拟轴机床网) ， 如图1 2 所示。这种机床是并联机器人机构应用成功的典型例子，被称为“二十一 世纪的机床”。并联机器人机构的另一个重要的应用领域微操作机器人也正 江苏大学硕士论文 在得到广泛的开发和应用。德国等西方发达国家都开发出了应用于不同领域的微 操作人，如细胞操作机器等。三自由度并联机器人机构1 6 1 更是以其结构较为简单， 应用方便的特点被广泛应用于工业和研究实践中。如德国研制的用于汽车工业板 材的并联机器人、用于精密装配的小型机器人等。在国内，近年来我国也研制出 了并联机床的样机，但离商业化还有一点距离。北京理工大学、中科院沈阳自动 化研究所、燕山大学都在这方面做了大量的工作，在并联机器人结构学、运动学、 控制方面都取得了很大的成就，并研制出了一些不同类型的并联机器人。在三自 由度并联机器人方面，北京航空航天大学研制出了用于微细胞操作的微操作机器 人。此外，三自由度并联机器人机构还被用作微动机构、机器人三自由度关节、 机床的空间方位转动、卫星载航天器方位跟踪系统、超声波治疗机定位装置等【7 1 。 图1 i 典型的s t e w a r t 并联机器人图1 2 虚拟轴机床外观 图1 3 五轴五自由度并联机床 图1 4 清华大学的v a m t i y 机床 可见，作为一种很实用的并联机器人机构，三自由度并联机器人机构是很有 实用前景的。随着机器人技术的不断发展，这类机构必将在更多的领域得到更广 2 江苏大学硕士论文 泛的应用。但是，目前这类机构的研究和开发还很不充分。尽管人们己经提出了 一些不同类别的三自由度并联机器人机构，针对不同的机构，提出了不同的解法 和控制策略，但很少有人对这些三平移并联机器人机构进行综合性和应用性的研 究，也很少有合适的实验平台可以作为这种实验研究的硬件和软件支持。在此情 况下，开发一个以农业应用研究领域为背景、具有良好的二次开发能力和广泛适 用性的三平移并联机器人机构综合实验平台，为进一步对这类三平移机构进行综 合和应用研究有着重要意义。 1 3 数控系统的发展现状 1 3 1 数控系统体系结构的两大主要类型 随着科技的创新，我国已经建立了独立、先进的数控系统技术体系，数控系 统的体系结构是数控系统技术体系的核心嗍。 从体系结构上看，数控系统可分为专用计算机数控系统和通用计算机数控 系统两大类。专用系统”出现：p 2 0 世纪5 0 年代初，目前已发展到相当高的水平，i 但其核心技术多为一些国际上的大公司所垄断。近l o 年来由于通用计算机的飞速 发展和开放式数控浪潮的兴起，“专用系统”正渐渐在走下坡路。“通用系统”始于 7 0 年代初：进入8 0 年代后，通用微型计算机，特别是个人计算机( p c ) 的飞速发展， 使“通用系统”的性能和专用系统不相上下，在某些方面甚至有所超越，成为目 前国内外众多厂商普遍看好的数控系统发展方向网。由于p c 产量大、价格便宜， 技术进步和性能提高快，且可靠性高，因此，以其作为数控系统的软硬件平台不 但可以大幅度提高数控系统的性能价格比，而且可充分利用通用微机已有软硬件 资源和分享计算机领域的最新成果，如大容量存储器、高分辨率彩色显示器、多 媒体信息交换、联网通讯、各种智能化软件等。 1 , 3 2p c 数控系统体系结构分析 p c 数控系统的体系结构主要有3 种形式u 川： ( 1 ) 专用数控加p c 前端的复合式结构这类系统的典型结构见图1 5 ，其设 计思想是将通用p c 和专用n c 通过高速信息交换通道连接到一起组成一复合式 数控系统。从操作者方面看这类系统可以有一个友好的p c 界面，编程、编辑、 操作等很方便，从机床侧看该系统与传统的专用n c 没有什么差别，熟悉其老产 品的用户也感到很方便。这类系统的优点是可以保持原有数控基础，发挥厂家在 以硬件专用芯片实现特殊控制功能等方面的优势，且技术上容易保密，因此多为 3 江苏大学硕士论文 一些老的数控厂商或实力较强的厂家所采用。这类系统的最大缺点是开放性有 限、开发和生产成本较高，技术上升级换代较慢。可以预计，在我国现有条件 下，此类系统不会有太大的发展。 l 撰作面板ii 量示嚣i陋用p c 耋讥前墙软件il 存储器i 赣人装置 p c 总线 i 偿患交换通遗l i专用计算机敦控装置 l ii 开关量疆动嚣l 轴驱动嚣2 轴驱动嚣一l 轴驱动嚣主轴驱动嚣 lliill 旰关量执行装置l il 轴电机l m 检滔l2 轴电机| l2 轴检测i 一l 黼电机i l 鼬捡舅l 主轴电机i 主轴检测 lli 扫l床主机 圈1 5 复合式p c 数控系统体系结构框图 ( 2 ) 通用p c 加实时控制单元的递阶式结构其设计思想是利用p c 机作为数 控系统的软硬件平台，在其标准总线上直接连接实时控制单元( 将实时控制板卡 插入总线插槽中) 而组成完整的数控系统。这类系统为一种递阶式的体系结构， 其总体框图见图1 6 。其中，第l 级为宏观控制级，主要利用p c 机的软硬件资源， 完成数控系统中上层一些实时性不是很强的任务，并对全系统的运行进行协调和 管理。第2 级为运动控制级，由实时控制单元完成数控下层的高实时性控制任务， 实时控制单元的各功能模块可有自己的c p u ，在其上运行各自的控制软件。第3 级为驱动控制级，其主要任务是完成电机的驱动控制，由于该级控制对实时性 要求很高，目前广泛采用高速d s p 作为控制器。驱动控制级一般由若干个驱动单 元组成，这些单元由专业厂家生产，但价格较贵。由于递阶式系统具有较好的开 放性、易于采用标准部件组成系统，开发和生产比较方便，成本相对较低，因此 被国内外许多厂商，特别是中小厂家广泛采用。 4 江苏大学硕士论文 豳1 6 递阶式p c 数控系统体系结 萄框图 ( 3 ) 数字化分布式结构近十年来，我慝发展起来了一种数字化分布式系 统，其方案是将组成数控系统的下层子系统( 如数字式伺服系统、主轴驱动系统、 p l c 等) 通过以光缆等为介质的实时鼹络与p c 数控装置连接起来，组成完整的 数控系统。这类系统的典型结构觅图1 7 。圈中，各进给轴驱动器和主轴驱动器 一般为全数字化控制，其c p u 广泛采用高速d s p ，以实现位置控制、速度控制、 矢量变换控制、直接转矩控制等复杂算法。另外，一般要求各子系统自身带有宾 时网络接口，以免去用户加装网络接口的麻烦。由予这种系统采用分布式计算 和控制，并通过具有高可靠性和高实时性的网络进行通讯和协调，因而可以最 大限度地发挥各子系统的能力，并减轻p c 主机的负担，易于使整个数控系统具 有较高的性能。但是，这种系统的开发和生产成本很高。如果采用国外( 包括引 进匡外技术重内生产) 的部件( 如数字式交流伺服、实时通讯网络等) 来组成国产数 字化分布式数控系统，则成本也太高，近期难以被囡内广大用户所接受。 鼷l 。7 数字纯分毒式p c 数控系统体系络辫挺匿 5 江苏大学硕士论文 此外，近几年，我国又此提出集成化p c 数控系统这一新的数控系统概念和 新一代集成化p c 数控系统的体系结构。 所谓集成化p c 数控系统，其核，f i , 思想是将数控系统的所有子系统( 数控装 置、p l c 、伺服控制器等) 全部集中到一个统一的硬件平台，使数控系统的所有 功能全由软件来实现，彻底消除各子系统的冗余硬件及连接各子系统的硬件接口 和通讯线路，并有效简化软件接口和软件结构。这里的“集成”不是一般意义下的 信息集成，而是从硬件、软件到信息的全面集成。 集成化p c 数控系统的总体结构见图1 8 。其核心是高性能p c 系统平台和运行 于其上的集成化数控系统软件，主要包括数控操作系统、信息处理、轨迹生成、 伺服控制、开关量控制等模块。需指出的是，这里的伺服控制不仅仅是常规数控 系统中的位置控制，而且还包括速度控制、矢量变换控制、电流控制等。集成化 p c 数控系统的硬件规模比普通数控系统大为缩小，除p c 平台外，剩下的主要是 功率接口和反馈接口。由于功率接口的功能只是将计算机产生的弱电控制信号转 换为驱动电机的强电信号，并不需要完成复杂的信息处理和控制功能，因此其结 构比较简单，仅需采用标准的智能化交流伺服驱动模块加光电隔离模块等即可组 成。为减小强电电源部分的体积，进一步降低系统成本，所有功率接口均由安装 于系统机箱内的集中式强电整流滤波模块统一供电。 反馈接口可连接高精度编码盘、光栅、感应同步器等多种检测装置，从而可 根据用户需要构成半闭环或全闭环控制系统，以保证被控机床具有高的加工精 度。 系统中的开关量i o 接口可提供一定数量的符合通用p l c 标准的输入输出接 点。这些接点可根据需要与对应的开关量执行装置( 如电磁阀、行程开关等) 相连 接。数控系统软件中的开关量控制模块将通过开关量i o 接口及开关量执行装置 对机床的逻辑顺序运动，如主轴起停、刀具交换、工件装卡、加工冷却、行程保 护等进行控制。开关量控制模块将与伺服控制等模块相配合，共同完成多轴联动 工作过程的控制。 6 江苏大学硕士论文 i 揍作丽耩il l 集成化教棒紊窥软件i l 输入婪罾l l 网络格ul l 高性能p c 系统平台 系统煦墟li li i 开关肇f r o 接口ll 主 ：绘轴功率铸口i 讲给齄反馈格口 i 幸轴反馈辖口# 铀功率接口 上l i f 一 l - li l 开姜罾撬行冀冒1 l 轴2 轴 廉 1 轴 2 轴 廒 主轴主轴 工人叠dj 。，l ：l j d机_ d 甲甲蜘蜘羊芏窿甲士 下 蕾i i 1 圈1 8 集成化p c 敦拄系统体系结构框图 1 4 课题的目的和意义 随着科技的发展，国外的温室内机械化作业技术已经十分发达，但是，目前 移栽机器人一般都遵循“定位移栽”的运行模式，该模式在秧苗进行移栽时，必 须在移栽前先设计好机械手的移栽轨迹，这样会使机械手的工作轨迹比较单一， 同时，每次移栽时必须将育盆固定在某一规定位置。而且当育盆内没有长出秧苗 时，机械手扔会对其进行抓取，使系统多做了无用功。为了解决上述问题，本文 提出了一种经济型高精度的自寻位并联移栽机器人，该机器人可以自动拍摄育盆 照片，并自动计算出每一株苗的中心位置，以确定机械手移栽秧苗时的抓取位置。 本文采用“寻位移栽”的运行模式，工作时，只需将育盆放在传送带上，系统能 自动计算秧苗根茎坐标并自动设计移栽轨迹，同时可以跳过那些没有生长出秧苗 的穴坑，避免做无用功，使系统具有了一定的柔性。 此外，与传统串联机构相比并联机构具有刚度高，运动惯性小，承载能力大， 精度高，速度快，驱动可位于或接近机架以减轻活动构件质量等特点，所以并联 机构在工业机器人中得到广泛的应用。本课题采用一种三支路特殊配置的 ( c p j r ) j - ( c r r ) 上( c r r ) - - - 平移并联机构，其机构简单，运动学性能好， 而且这种三支路特殊配置的并联机构完全解耦，易于控制，完全可以在农业工厂 移栽环节中得到应用。 1 5 本文工作 本文以前期设计的3 - ( c e p ) 并联机构为基础，对其进行结构优化改进。按 照实际需要完成的任务进行控制系统的设计。其中包括：原结构优化改进设计， 硬件设计，模糊p i d 控制器设计以及软件界面的设计。具体工作安排如下： 第二章首先对3 - c r r 并联机构的各分支进行重新配置，提出一种新型的三自 7 江苏大学硕士论文 由度并联机构，并提出了一种可约系统的概念，通过计算论证了该机构是一种完 全可约的机构；此外，对该机构进行了奇异位形分析，速度性能指标分析及灵巧 度分析，并在考虑正作空间和机构的整体刚度的基础上对机构进行了优化设计， 利用机构在结构、运动、干涉等方面的相互关系，建立起机构的各个构件的参数 同驱动参数的关系，最后通过m 触阻a b 仿真，得到了该并联机构工作空间示意 图。 第三章的主要任务是闭环控制系统的设计，选用阶梯式控制系统的设计思 路，即用基于w m d o w s 操作系统的台式机作为上位机，完成数据的存储与复杂计 算，用以d s p 为核心的多轴伺服控制卡实现多轴联动的实时控制。其次，根据系 统实际工作中所需要的驱动力，对步进电机进行了合理的选择，并在实际的控制 中证明该步进电机能够保证系统的顺利工作。最后对步进电机的起动、换向及变 频加速度控制进行了设计。 第四章主要讨论在步迸电机驱动系统中，豳于多重非线性因素的影响，使得 系统的精度较低，为了解决该问题，本文弓l 入了自适应模糊p i d 控制方法，并 通过m a t l a b 仿真，得到了较为理想的仿真曲线。 第五章主要设计了并联机构的控制软件，通过反复试验，发现自适应模糊 p i d 控制器在实际控制中所出现的精度缺陷，由此引入了前馈微调补偿功能对原 模耧p i d 控制器进行改进，改进后通过试验可以发现，系统的精度得到了骥显 的提高。 文章最后还对全文进行? 总结与晨望。 8 江苏大学硕士论文 第二章三自由度并联机器人的性畿机构分析及优化 2 1 三自由度移栽机器人 2 1 1 三平移并联移栽机器人的机构描述 图2 1 ，图2 2 分别为本课题组研制的原秧苗移栽机器人的机构示意图和机 构模型【1 1 1 ，空间3 c r r 并联机构由三条支路、固定平台和动平台组成。每条支路 由轴线互相平行的圆柱副c 及转动副r 组成，且这条支路的运动副轴线与其它 两条支路的运动副轴线互相垂直。 图2 1 原3 c r r 并联机构机构图 图2 2 原秧苗移栽机器人结构模型 然而，在实际的试验过程中发现，该机构存在杆长过长，杆件刚度不够，运 动副之间接触面积较小，引起副的变形过大，原动件减速器传动比过大，造成机 构工作效率较低等缺点。所以，本文在该机构的基础上，对杆长进行了优化设计， 并加大了杆件的截面积，增强杆件的刚度，同时改变了z 方向安装支腿的位置， 改进后机构如图2 3 ，2 4 所示，该机构虽然杆长减小，但是仍能保证有理想的工 作空间。 图2 3 改进后3 c r r 并联机构机构图图2 4 改进后秧苗移栽机器人结构模型 9 江苏大学硕士论文 2 1 2 螺旋理论基础 空间一个矢量被约束在一条空间位置确定的直线上，这个被直线约束的矢量 称为线矢量，用对偶矢量表示为( s ；s 。) ，其中s 为对偶矢量的原部，s o 为对偶矢 量的对偶部，s 为上述空间矢量，s o 茹r s 称为线矩，具有长度单位，r 是由原 点至该空闻直线上任一点的矢径。一般情况下对偶矢量的原部与对偶部不正交， 记为( s ；s o ) ，此时对偶矢量为旋量【1 2 1 。当对偶矢量中s o s o = o 时，对偶矢量转化 力线矢量。当对偶矢量中s o s = o 时，对偶矢量转化为偶量。若旋量的两部分表 示为标量，称为p l u c k e r 坐标，记为( l ，m ，n ；p ，q ，r ) 1 3 】【1 4 1 。 在并联机构中的各条支路中各运动副轴线可以用单位线矢量毛表示，其中霸 表示并联机构的第i 条支路的第j 个运动副，每条支路都可以组成一个运动螺旋 系。并联机构的动平台自壶度少于6 时，至少存在一个与运动螺旋系中每个螺旋 都相逆的反螺旋矿，即 罗o = o 0 。1 ) 式中“o 表示互易积，实际上是一个约束力或者一个约束力偶。 在并联橇梅中动平台只有6 个自由度，掰以动平台最多只有6 个线性无关的 约束力螺旋作用，对应的基础解系可以表示为： 对l0o ；00o ) ； 霹olo ；00o ) ： 菇邓0 重；00 ； 掰邓00 ；l00 ) ； 菇邓0o ；0l 妨； 。 菇邓00 ；001 ) 并联机构各支路的约束力螺旋求出以后，组成约束力螺旋系，这时就可以根 据约束力螺旋系的线性相关性判断动平台的虚约束数目，进而求出并联机构的自 由度f 1 5 1 。 2 1 3 螺旋理论分析 在分析过程中，可以将图2 3 所示并联机构的圆柱副c 看成一个移动副r 和一个转动副p 的复合副，即该并联机构相当于( p m n v r ) 上( p r r r ) 上( e r 嗽) 并联机构。图2 0 中每条c p , r 支路的3 个运动副轴线相互平行， 舳、b i 、c i ( 其中芦l ，2 ，3 ) 分别表示第一、二、三支路的各运动副中心线与相 应连杆中心线的交点，同一支路上的3 点在同一平面上，圆柱副轴线 i o 江苏大学硕士论文 s a i 、s b l 、s c l 分别平行于固定坐标系o - x y z 的y 轴、x 轴和z 轴，且s a l 、s b l 车o - x y 坐标平面内，与动平台相连的转动副轴线s a ，、分别平行于上平 台坐标系o - x y z 的y 轴、x 轴和z 轴，且在o - x y 坐标平面内。根据参考文献【1 砥1 7 】 和螺旋理论可以写出第一支路4 4 4 的4 个运动副在坐标系o - x y z 中的运动螺 旋 氏，= ( o ；弘) = ( 0 0 0 ；l0 o ) 轧= ( s - ；妣- s a 慷) = ( 10o ；00r a i ) = ( s 2 ；s 2 ) = ( 10 0 ；0 q ：r 2 ) 氏= ( 弘；r o x , x s a j ) = ( 10o ；0q ，r a ，) 式中妣、饥、饥均为由o 点指向a i 、a 2 、a 3 点的矢量。由式( 2 1 ) 求出第 一支路的反螺旋是 箍邓0o ；0l0 ) ；箍气o 0o ；001 ) 运用相同的方法可以求出第二、第三支路的反螺旋 $ ；l = ( 00o ；l0o ) ；= 们0o ；001 ) $ r l = ( o0o ；l0o ) ；$ 乏邓0o ；010 ) 通常，螺旋理论分析只能解决某一瞬时过程，不能解决连续过程的运算闯题， 这里由于三支链在运动过程中始终垂直，故可按上面分析。由上边求得的反螺旋 表明，上平台受到6 个约束力螺旋的作用，但是只存在3 个独立的转动约束螺旋， 限制了动平台的3 个转动自由度。因为反螺旋线性相关，只存在三个独立反螺旋， 表明存在3 个虚约束。机构的自由度m 计算为： m 。d ( n - g _ 1 ) 嘻+ 舢q( 2 2 ) = 6 x ( 8 9 一1 ) + 1 2 + 3 一o = 3 式中d 为机构的阶数，若九为机构的公共约束数目，则d = 6 一九，n 为机构的杆 件数，g 为机构的运动副数目，为第i 个运动副的自由度，q 为虚约束的数目， q 为机构的局部自由度。显然在文中提到的并联机构的阶数d - - 6 ，求得该并联机 构的自由度为3 。 2 2 三平移并联移栽机器人机构的性能分析 2 , 2 1 机构可约性分析 2 2 1 1 可约系统的定义 江苏大学硕士论文 一般地，设系统的输入为s = 瓴，s 2 ) ，输出为q = ( g t ，9 2 吼) ，m n 。 如果存在某种分组方法和数k ( 2 k n ) ，使得以下条件可以得到满足，则系统被 称为可约机构堋。 条件1 ：所有s 和q 中的元素可以分成k 组，即： l屯sl 耻k = ，s = 墨( 而，墨，) 爱( 是，勺，) & ( & ，) q = 9 1 9 2 q 3 ： g 一 = q = q ( c q , ，吼，) q 2 ( q 2 ，乃，) 幺( 吼，) 式中，i k ，j k 条件2 ：s 和q 中的每个元素只能在一个组( 1 ，七) 或包( 1 ，七) 中存 在。 条件3 ：分组后的元素( 1 哦) 只能和一个包( r k ) 有关，反之亦然1 3 1 。 2 2 1 2 可约概念与解耦概念的比较 耦合，在物理学上指两个或两个以上的体系或两种运动形式之间通过各种相 互作用而彼此影响以至联合起来的现象。 解耦是控制系统中使用的一个概念，在英文中用d e c o u p l i n g 表示。对于系 统 骶一 其传递函数矩阵为g = c ( s z 一彳) 一b ，其输入输出之间有： m ( j ) = g l l o ) o ) + 9 1 2 0 ) 如o ) + + 鼠o ) o ) 奶o ) = 9 2 i ( 曲地+ & q ) 屹o ) + + 9 2 。o ) ( s ) 咒o ) = g l ( s ) 地o ) + 2 ( s ) 吻( s ) + + g 二o ) o ) 式中岛( s ) 是g 纠的第f 行第j 列元素。可见每一个输入控制多个输出，每个输出 为多个输入所控制，这就是控制中的耦合现象。这时这如果要在其他输出都不改 变的情况下去调整每个输出，找出完成上述目的的一组输入一，段，以是很困难 的。 江苏大学硕士论文 所谓解耦控制系统，就是采用某种结构，寻找合适的控制规律来消除系统中 各控制回路之间的相互耦合关系，使每一个输入只控制相应的一个输出，每一个 输出又只受到一个控制的作用。 分析多变量系统的耦合关系可以看出，控制回路之间的耦合关系是由于对象 特性中的子传递函数岛( s ) ，榭，i , j = l , 2 靠造成的若 g ( s ) = g l i ( d 00 0 如o ) 0 ；。； 00g 肼 是一个非奇异对角形有理多项式矩阵，则该系统是解耦的。寻找消除耦合的 办法实际就是使系统传递函数阵对角化，这样就在实际系统中消除了通道间的联 系，简化了结构的设计，因而具有实际意义。从信号观点看解耦后的系统，一个 被控量只受一个控制量的控制，与其他控制量无关；从结构看解耦后的系统，原 耦合的多变量系统变成为彼此相互独立的单输入单输出系统。 可约，英文表示为r e d u c i b l e ，意思为可缩减的，可减少的；可降的；在数 学中表示可约的，可化简的。从概念范围上来讲，可约比解耦更全面。从可约的 定义我们可以看出，它不但包含了解耦所涵盖的输入输出一一对应的关系，还包 含了输入输出分组映射的情况。 2 2 1 3 可约性分析 机构的位置分析是求解机构输入构件与输出构件之间的关系。它是进行速度 和加速度分析、工作空间分析、动力学分析、控制系统分析、特殊位形分析的基 础。位置正解即正向运动学问题，是已知机构主动件的位置，求解机构输出件的 位置和姿态；位置反解即逆向运动学问题，是已知机构输出件的位置和姿态，求 解机构输入件的位置。机构位置的正解和反解无论是在理论上还是在实际应用中 都是不可缺少的。由于并联机构结构复杂，对并联机构的位置分析要比串联机构 复杂得多。在串联机构的位置分析中，正解比较容易，而反解比较困难。相反， 在并联机构的位置分析中，反解相对比较简单而正解却十分复刹1 9 1 。 由图2 5 可知，机构上的所有点的坐标为： 江苏大学硕士论文 ( 2 3 ) i 以= ( o ，入。2 + a 2 ，o ) 1 忍= 0 2 l s a z ，9 0 2 + 吒，1 2 l c 嘞) r ( 2 4 ) ig - - ( 1 2 l s 口2 + 1 2 2 s 屈，入。2 + 呸，1 2 l c a z + 1 2 2 嗡) 1 4 = ( q o l 峨+ 蛔剪 骂= 娼，乜，, g - h , c ，_ ( b + 吩妒 ( 2 5 ) i q = 峨+ 蝴，屯讹一蝴，峨+ 蛔矿 式中，s 仅= s i n g ，c a = c o s g ，s p = s i n p ，c p = c o s f l 图2 53 c r r r t m y 在3 c 咖构中，三个运动支链分别约束住了动平台的转动自由度，所以机 构为三自由度移动机构。可以写出动坐标系原点坐标。 a = ( 入。i + q ，l l l s a l + 1 1 2 s 屈+ q ，c q + 1 1 2 c 展) ) r 见= 0 2 l s g z + 1 2 2 s 岛+ q ，入。2 + 吒，- ( 1 2 l c + 1 勉c 屈) ) r ( 2 6 ) ( 2 7 ) p 3 = ( 盔j ，+ 1 3 l s c r 3 + 1 3 2 s 磊，d 3 x - 1 3 i c a 3 - 1 3 2 c p , - o , ，( 入。3 + 码) ) r( 2 8 ) 1 4 展文，1 +口c ，1厂0啪鼢 c 坦 n lj + r 吼吼 矗芦 仉l l q q q + + + o d 口 n n = = l i 4 置q 江苏大学硕士论文 其中，a 是从支链i 推出的动坐