并联机器人控制系统设计与实验研究

精选教育文档大连海事大学二○一○年六月可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档并联机器人控制系统设计与实验研究姓名：黄鑫指导教师：关广丰交通与物流工程学院可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档本论文主要研究六自由度平台的位置反解，通过仿真实验和在xPC环境下的实时控制实验来验证算法的可行性。六自由度转台机构的位置反解。其次，通过MATLAB/Simulink将方程搭建出来进行系统仿真。运用Simulink中的模块将位置反解方程搭建出来，通过计算机模拟仿真，由用户给定的位姿求解出缸长变换。并且通过仿真初步验证反解方程的正确性。同时考虑到一定得实际此实验的基础上记录分析实验数据，通过对比实时控制实验数据与仿真实验数据，数据重合度高，从而验证算法的可行性。论文研究了控制并联机器人的核心算法。通过对比实时控制实验数据与仿真实验数据，由数据重合度高可得到该算法以及此算法上搭建的控制系统能够用于实际的并联机器人的可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档Abstract可编辑可修改，欢迎下载 2六自由度转台运动学分析 2.5系统质心运动规律与控制点运动规律 3基于MATLAB/SIMULINK运动学仿真 4实验研究 -24-可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档 -24- 4.4控制系统模型完善和实时仿真 4.5实时控制实验及数据分析 可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档并联机器人控制系统设计与实验并联六自由度转台是具有重大经济价值和国防战略意义的高精尖实验设备。与传统的串联式多自由度运动机构相比，它具有承载能力强，刚度好，无积累误差，精度高等优点。70年代初，美国的飞行模拟器。进入80年代特别是90年代以来，六自由度运动平台越来越广泛的应用于机器人、并联机床、空间对接计术、航空航海设备、摇摆模拟以及娱乐设施上。直到现在，并联式六自由度目前我国的六自由度转台设计水平和制造水平与西方发达国家相比差距还是相当大，对六自由度转台控制理论、控制系统与技术研究的这些领域内的关键课题所做的工作还很粗浅。因此对六自由度的仿真技术水平，具有重大的理论意义和实际应用价值。现已成为现代飞机工业、舰船、宇航和车载工业发展的重要工具，同时也是相应飞行员、船员及车辆驾驶员进行飞行模拟训练、舰船航行模拟训练和车辆驾驶模拟训练的有力手段。的解析分析也取得了进展。由于在理论上基本解决了六自由度系统的运动学和动力学问题，加之它航空及车辆的模拟器中基本采用这种六自由度运动系统。在结构和外型都得到了充分的发展，其可分为以下几类：（1）按自由度的数目分类，并联机器人可做F自由度（DOF）操作，则称其为F自由度并联（2）按并联机构的输入形式分类，可将并联机器人分为：线性驱动输入并联机器人和旋转驱可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档动输入并联机器人。研究较多的是线性驱动输入的并联机器人，这种类型的机器人位置逆解非常简惯量更小、承载能力相对更强等优点；但它的旋转输入形式决定了位置逆解的多解性和复杂性。（3）按支柱的长度是否变化分类，可将并联机器人分为：一种为采用可变化的支柱进行支撑上下平台的并联机器人。例如：这种六杆的并联机器人称为Hexapod，运动平台和基座由六个长度可变化的支柱连接的，每个支柱的两端分别由铰链连接在运动平台和基座上，通过调节支柱的长度来改变运动平台的位姿。另一种为采用固定长度的支柱进行支撑上下平台的并联机器人。例如：这种六杆的并联机器人称为Hexaglide，运动平台和基座是由六个长度固定的支柱连接的，每个支柱一端由铰链连接在运动平台上，另一端通过铰链连接在基座上，该端铰链可沿着基座上固定的滑道上下进行移动，由此来改变运动平台的位姿。相对于串联机器人来说，并联机器人具有以下优点：④在位置求解上，串联机构正解容易，反解困难，而并联机器人正解困难，反解容易。由于并联机器人的在线实时计算是要求计算反解的，这对串联机构十分不利，而并联机构却容易实现，由于这一系列优点，因而扩大了整个机器人的应用领域。[8]目前，国内外对六自由度平台的研究主要集中在动力学、运动学、机构学、控制技术以及平台运动的误差分析等几个方面。动力学分析及控制技术的研究主要是进行动力学分析和建模，并且研究控制算法，对六自由度平台实施控制。机构学与运动学分析主要研究并联机构的运动学问题、奇异位形、工作空间、干涉分析和灵巧度分析等方面。机构学与运动学研究是六自由度平台实现控制和应用以及机构优化设计的基础。二十世纪80年代后期到90年代中期，国内外对六自由度平台方面的研究主要是在平台的位置个，该方法具有计算速度快求解精度高，尤其是初值容易选取等优点。1994年饶青等研究了一般6-6型六自由机构的正解问题，根据机构的几何等同性原理，采用拆杆的方法，使用矢量工具结合于同伦函数的新迭代法，其正位置分析模型的建立采用了旋转变换矩阵和矢量工具，不需取初值并可求出全部解，比传统的同伦连续法简单，简化了求解过程，提高了计算效率和可靠性，推导出了问题转化为假设已知其空间六自由度参数，使得其给定杆长与上述假定六自由度参数求得的杆长之差的最小值优化问题，较好地克服了其它数值解法的位置正解精度与初值的选取有直接的关系的弊六自由度平台工作空间的解析求解是个极其复杂和繁琐的问题，至今仍没有完善的方法。1992该机构的特点和应用需要而把上平台中心可达范围分别定义为定姿态可达空间和工作空间两类。对于给定结构参数的6-SPS机构，在确定工作空间的最高点和最低点后，即可快速计算出其工作空间可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档应用单参数曲面族包络理论，将受杆长和连架球铰约束的工作空间边界问题归结为对若干变心球面年范守文等人提出了一种并联机器人工作空间分析的解析方法，该方法以曲面分析为基础，结合六自由度平台的运动特性得到了其工作空间边界曲面的方程，该方程是双参数隐函数方程。在六自由度平台的动力学分析方面，黄真和王洪波利用影响系数法对并联机器人进行了受力分析，并建立了自从Stewart提出六自由度平台概念以来，国外一直都在开展关于六自由度平台理论方面的研首次提出了六自由度平台的立方体结构(Cubic程把六自由度并联机构的奇异位形分为边界奇异、局部奇异和结构奇异。Hunt和Fichter首先研究由度平台的奇异位形，这种方法直观、有效，可以找出机构很多的奇异位形。S.Bhattacharya、在六自由度平台工作空间的研究中，Fichter采用固定三个姿态参数和一个位置参数而让其它两个变化的方法，研究了六自由度并联机器人的工作空间，利用圆弧相交的方法来确定六自由度并联机构在固定姿态时的工作空间，该方法不仅可以直接计算工作空间的大小，而且效率也比较高。Masofy等同时考虑到各关节转角的约束，各连杆长度的约束和机构各构件的干涉来确定并联机器人于给定动平台姿态和受杆长极限约束时假想单开链末杆参考点运动轨迹为一球面的几何性质，将工参考点，求解相应极限姿态空间的解析方法。Fichter和Merlet较早的开展了六自由度平台动力学方面的研究。他们在忽略平台腿部惯量影响的情况下建立了六自由度平台的动力学方程。Sugimoto以六自由度平台为例分析了并联机器人的动于杆的轴线上，并且杆的力矩惯量是可以忽略的情况下，利用牛顿-欧拉法研究了六自由度平台的逆俄罗斯、荷兰等国，并且大多用于飞机(包括战斗机、运输机和民航客机)模拟飞行训练，在舰船、五十年代开始研制的摇摆模拟台，就用于装备海军。近几年来，六自由度转台系统也开始被应用到可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档工业甚至娱乐场所，如美国Ford汽车公司研制的汽车行驶仿真器、Inger床等等，用于娱乐场所的六自由度游乐模拟台则是一种模拟运动载体特征，给人视觉、听觉、触觉以全方位真实感受的现代化新潮游乐设备，美国、日本等国家的一些著名游乐场所已有六自由度六自由度转台的另一个重要的发展方向，是作为微动机构或微型机构，在三维空间微小移动(2pm-20pm)之间，仍具有小的工作空间，这种微动机构正好发挥了六自由度转台的特点，工作空间不大但精度和分辨率都非常高。一个例子是用在眼科手术中，治疗视网膜静脉闭塞，另有一种微动双指并联机构，用于生物工程上的微细外科手术中的细胞操作。我国早期研制的六自由度转台也主要用于军事目的，模拟飞机、舰船、宇航和装甲车辆等的运动，工业上的应用，则主要是在并联机床的研制上。在微动机构方面，我国也取得了进展，如燕山大学（1）六自由度平台位置反解已知输出构件平台的位置和姿态，来求解输入构件六个液压缸的位置和姿态的过程就是位置反解。通过机构学的基本知识推导出六自由度平台位置反解（2）运用MATLAB/Simulink进行系统模拟仿真修改。（3）通过MATLAB/xPC进行实时控制可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档六自由度转台的运动学分析主要包括位置、速度和加速度分析。本论文主要对六自由度平台进行位置反解分析，即当已知转台输出的位置和姿态，求解输入的位置和姿态的过程。本章采用矩阵在此基础上建立了转台输入与输出构件间的位置关系。本章最后推导出了一种求解位置正解的数值为了清楚地描述台体的运动，选取两个坐标系，即体坐标系OXYZ和静坐标系O'X'Y'Z'，如图选取体坐标系(又称动坐标系)的坐标原点为载体和平台的综合质心，坐固定在台体上，坐标轴的方向与台体的惯性主轴方向平行，载体的安放也使其惯性主轴与体坐标系的坐标轴相平行。将静坐标系(又称参考坐标)固定在大地上。在初始位置时，静坐标系O'X'Y'Z'，与体坐标系完全重合。静坐标系实际上是体坐标系的参考对象，当平台运动时，以大地为参照物，静坐标系是不动的。对可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档1Zq2q3X3Y'XX'中偏航角q3纵摇角q2横摇角q1Y图体坐标系与静坐标系之间，存在一个变换矩阵。由静坐标系到体坐标系坐标变换的次序为：第一次沿O'X'向，平移q，变换矩阵为：4|||010010||可编辑可修改，欢迎下载|3T|3T34精选教育文档|||0TT3q36三次平移之后，坐标系O'X'Y'Z'平移到OX'Y'Z',接着进行三次旋转变换，第一次绕OZ'轴旋转偏航角q，变换矩阵为：3由于绕OZ'轴旋,Z轴坐标值不变，只需推导出PP10]第二次绕OY轴旋转偏航角q，变换矩阵为：可编辑可修改，欢迎下载0-sinq|T0-sinq|T5T6精选教育文档|0|0|综合以上各个变换，即可以得到由静坐标系到体坐标系坐标变换矩阵T为：工作零位时液压缸长度L2：q4q5q61]|」体坐标系与静坐标系坐标原点都在平台上表面中心用矩阵A来表示液压缸缸筒上端铰支点在动坐标系中的坐标向量。矩阵A第一列的第一行至第三行元素分别表示上铰支点在动坐标系中X轴可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档AbθmaBd d aaa在三角形AAO中，由三角形关系得：1ddaaa1aAA1a1aA--dAa0L可编辑可修改，欢迎下载dd精选教育文档]「ddaa0aaa0-R-Raaa-Ra-Raaa0a用矩阵B来表示液压缸缸筒上端铰支点在动坐标系中的坐标向量。矩阵B第一列的第一行至第三行元素分别表示上铰支点在动坐标系中X轴ddbbb在三角形BBO中，由三角形关系得：b)bb)b因此B点坐标为：可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档bBbB|||||||||bb-hb将B矩将B矩[[A1BB,Bmπ;3可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档aabbab)]bab2.5系统质心运动规律与控制点运动规律以上分析中，所推导的公式中系统的坐标系的原点均为系统上台面的中心。但是在实际的工作就是要求K点实现给定的运动规律，以便分析计算。若控制点K在体坐标系中的坐标为[00H1]T，相对于它自身初始运动规律为0Y0Z00K在两个坐标系中坐标关系为：可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档由此可得系统质心运动规律由控制点运动规律表示的关系式为：液压缸活塞杆的伸缩量（即位移）可由液压缸的上下铰点之间的距离减去铰支点初始长度l来确定。铰支点距离的计算公式为：ikiki式中g为A矩阵变换到静坐标系后所得各点对应的坐标，其计算公式液压缸活塞杆的伸缩量为：iiii本章采用矩阵分析方法，通过建立两个直角坐标系和静坐标系，推出了体坐标系与静坐标系之位置关系，从而解决了六自由度转台机构的位置反解。可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档运用MATLAB中simulink模块将上面推导出的位置反解的方程搭建出来，进行六自由度平台的系统仿真、测试，并进行修改、调整。输入参数求位置变换矩阵T通过变换矩阵将A点坐标由动坐标系变到静坐标系C标做差平方和输出结果可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档T为坐标变换矩阵；L为液压缸位于中位时长度；A,B分别为上下铰支点坐标矩阵；D为对G矩阵平方和后开方的过程即求解d的过程；i由此工作范围，通过系统仿真，观察display的输出数据可以粗略的估算出系统6个自由度绕X轴转动绕Y轴转动绕Z轴转动沿X轴平动沿Y轴平动沿Z轴平动工作范围可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档沿X轴方向沿Y轴方向幅值相位频率幅值相位频率可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档通过对模型仿真，可以初步确定算法的可行性。验证了本论文所研究的算法在仿真中可实现对（1）系统工作开始之前处于工作零位，即液压缸的活塞杆处于中位。假设输入信号要求工作台移动到最高位，平台上台面将会以无穷大的加速度移动到最高位，不符合实际工作要求，因此对输入信号加入渐缩渐放模块，以实现平缓的输入信号。图3-5为渐缩渐放模块。渐缩渐放模块的主要作用是限制输入信号变换的速率。实现平缓输入信号方法为：用渐缩渐放模块限制常值模块从0变到1的速率然后与输入信号相乘，以实现平缓输入信号的目的，如图3-6可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档为了让输入信号在8秒的时间内达到额定的输入幅值，需做如下调整：额定的输入幅值和输入信号在8秒的时间内由额定的输入幅值降到0沿X轴方向幅值相位频率图3-7未加入渐缩渐放模块输入信号可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档六自由度平台停止时6个液压缸处于最低位，即液压缸活塞杆全部缩回液压缸。启动系统时如果输入信号直接给入系统，平台将以无穷大的加速度有最低位移动到工作零位，显然不符合实际情况的需要。因此，在输入信号之前需要控制系统平台又最低位平缓的过渡到工作零位。对输入信号加入一个使平台由最低位上升到中位的渐缩渐放模块，如图3-5：低位到达中位和平台在15秒的时间内由中位降到最低位。可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档本章依据位置反解方程搭建出控制系统的模型问题，进行仿真实验，初步验证方法的可行性，为进一步实时控制实验做好铺垫。同时考虑到一定得实际情况，为使信号平稳的输入，使平台平稳的升到中位，加入渐缩渐放模块，以达到预期的效果。可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档主机—目标机的技术途径，即“双机”模式，主机和目标机可以是不同类型的计算机。其中，主机机和目标机之间的通信。作为主机，用Simulink模块来创建模型并进行非实时的仿真。然后用RTW、Stateflow代码生成器和C编译器来生成可执行代码并将其在目标机上实时的运行。图4-1显示了快速原型化环境中xPC目标的使用情况。等在内的PC兼容机。并在此目标机上实时运行Simulink和RTW生成的应用（2）具有丰富的I/O设备驱动模块库，支持包括CAN总线在内的40余种标准板。（4）MATLAB应用程序界面(API)采用服务器/客户机模式，提供了几十个函数用于主机对目标机的控制。（5）可在程序运行时从主机或目标机上动态调整参数。（6）在主机和目标机上都可进行行交互式的数据可视化和信号跟踪。（8）利用xPC目标的嵌入式模块，可以使目标机系统工作于单xPC目标的软件环境具有很多特点，有助于用户对实时系统快速原型化、测试和配置功能的实现可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档实际被控对象/控制器I/O硬件计算器MATLAB实时内核RTW生成的应用程序宿主目标通信参数调节，监视等可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档xPC目标不需要在目标机上安装DOS、Wind殊的启动盘启动目标机。该启动盘内包含了高度优化的xPC目标实时内核。（1）目标启动盘xPC目标采用了目标启动盘的方式，这样省去了安装软件、更新现有的软件设置或访问的目标PC机上硬盘驱动器的需要。这样用户可以将目标机作为测试实时应用程序的实时仿真机使用，而当完成测试后，又可以把目标机当成一台台式计算机使用。采用较新的BIOS可以对xPC目标机进行配置，因此，可以更好的控制系统的实时性。如，关闭外部缓存和CPU的缓存，禁止对键盘进行检索，关闭任何节省电能的特性。（3）实时内核实时内核在开始运行之后，将显示出有关主机和目标机通信连接的友好信息。内核将激活应用部分复制到指定的内存区域，然后设置目标应用程序处于准备执行状态。这时用户可以使用xPC目标提供的函数或其他程序与目标程序进行通信。目标应用程序的初始化代码将剩余的未使用的RAM作为堆栈。堆栈中可用的内存将显示在目标机屏幕的左侧。默认情况下xPC所占用的内存大小为4MB。通常，由于在整个运行过程中需要采集和存储数据，因而堆栈中大部分内存用于信号记录。xPC目标的信号采集过程是通过实时内核来完成的。实时应用程序的信号数据存储在目标机的RAM中，可用来进行分析。xPC目标程序支持已下类型的信号采集方式：（1）信号监视模式。（2）信号记录模式。（3）信号跟踪模式。模块的可变参数包括振幅和频率。对于xPC目标，可以采用如下两种方式对模块参数进行调节：（1）交互方式。xPC目标支持在目标应用程序实时运行过程中对参数进行交互式的调整，对参数的改变将立即反映到信号输出中。（2）脚本和批处理过程。xPC目标还提供了可在目标程序运行时或运行间改变参数的命令。用户可通过编写脚本程序来改变参数并对信号输出进行监视来获得参数的最佳值。可编辑可修改，欢迎下载精选教育文档硬件环境由主机、目标计算机、目标计算机上的I/O板系列、主机和目标计算机的串行连接或主机PC——台式电脑、笔记本电脑定时器和信号处理须包含有3.5英寸软盘驱动器,一个独立的串行口或一个以太网适配器卡。主机电脑可以是下列之一：台式电脑笔记本电脑同样,它必须包含一个3.5英寸软盘驱动器,一个独立的串行口或一个以太网适配器卡。使用xPC目标嵌入式选项,你可以将3.5英寸磁盘转换目标计算机可以是下列之一：台式电脑——这台电脑将从一个用xPC目标创建的特殊的目标启动盘启动。网络连接）上的资源，但是并不改变已经在存储在硬盘驱动上的文件。对您的台式计算机的正常