机电系统工程学课件

1、冗余驱动并联机构及其应用,何景峰 2014-03-04 哈工大 机电学院 流体控制及自动化系,内容目录,冗余驱动并联机构研究现状 冗余驱动并联机构的控制 冗余驱动并联机构的应用,冗余驱动并联机构的研究现状,冗余驱动机构的研究现状,并联机构,运动平台,伸缩支腿,固定平台,关节铰,冗余驱动机构的研究现状,Gough-Stewart机构,六边形,六边形,冗余驱动机构的研究现状,运动模拟vs.稳定,振动模拟vs.振动隔离,冗余驱动机构的研究现状,冗余驱动并联机构,8个支腿,6自由度,驱动数目自由度数目,冗余驱动机构的研究现状,冗余驱动并联机构,冗余驱动机构的研究现状,冗余驱动并联机构的应用,冗余驱动机

2、构的研究现状,冗余驱动并联机构的应用,日本国家地球科学与防灾研究院,冗余驱动机构的研究现状,当前研究现状,1）动力学模型 2）内力求解(采用优化方法) 3）消除奇异性（数值方法） 4）控制方法（计算力矩控制+内力控制） 5）内力的利用（刚度调节、消除机构间隙）,动力学建模,动力学建模,机构简图,a) 正视图 b)俯视图 图2-1 冗余驱动并联机构示意图,单刚体动力学,动力学建模,牛顿方程：,欧拉方程：,(2-20),惯量矩阵（Inetia matrix），66,科氏力和向心力项（Coriolis，centripetal force），61,重力项（Gravity），61,写成标准形式：,多刚体

3、动力学建模方法,1,4,2,3,Kane方程：,动力学建模,多刚体动力学模型,其中，,质量阵：,科氏力项：,重力项：,动力学建模,支腿惯性项,液压驱动系统模型,伺服阀流量方程：,流量连续性方程：,力平衡方程：,动力学建模,整体动力学模型,冗余驱动并联机构 多刚体动力学,9套 液压伺服驱动系统,出 力,速 度,阀芯位移,动力学建模,整体动力学模型,动力学建模,可视化动力学模型,动力学建模,减少或消除机构奇异性,机构奇异性,速度传递：,力传递：,奇异：,机构雅克比矩阵奇异！,消除机构奇异性,机构奇异性,消除机构奇异性,Hunt奇异,重力,A轴,消除机构奇异性,奇异位形实验,实验现象：,1，当接近上

4、述位形时，很小的缸位移，平台姿态变化很大；,2，在达到上述位形时，平台不受支腿控制，会发生翻转,消除机构奇异性,奇异时的机构特性,2.3吨！,支腿受力变化,远大于平台和负载总重,消除机构奇异性,奇异曲面,消除机构奇异性,(3-1),奇异曲面,消除机构奇异性,工作空间,位置工作空间,消除机构奇异性,工作空间与奇异曲面,消除机构奇异性,工作空间,工作空间与奇异曲面,消除机构奇异性,无奇异的路径规划与控制（避开）,消除机构奇异性,增加冗余驱动（减少或消除）,克服奇异性,无奇异的路径规划与控制,消除机构奇异性,冗余方式一：将被动关节变为主动关节,消除机构奇异性,被动关节,主动关节,增加驱动,冗余方式二

5、：增加冗余支腿,重力,A轴,冗余支腿,消除机构奇异性,冗余支腿的布置,消除机构奇异性,0,增加冗余支腿,消除机构奇异性,关键冗余支腿,消除机构奇异性,增加3条冗余支腿,工作空间搜索,消除机构奇异性,趋于无穷！,工作空间搜索,消除机构奇异性,工作空间内的雅克比矩阵条件数,内力控制,机构力变换关系,平台上的力,支腿力,内力控制,机构内力及其求解,内力控制,机构内力,通解：,内力控制,内力控制,内力控制仿真结果,a)内力控制前 b) 内力控制后,内力控制,刚度分析与调节,绕Y旋转,平移运动,平移耦合,旋转运动,刚度分析与调节,1Y;2X rotation,自由度间耦合实验结果,刚度分析与调节,Gou

6、gh-Stewart机构的对称性,刚度分析与调节,解析刚度表达式,刚度分析与调节,解耦条件,刚度分析与调节,解耦条件：,刚度解耦,刚度分析与调节,解耦条件与解耦点位置,刚度分析与调节,图 5-4 6-6 Gough-Stewart机构的刚度解耦点,刚度分析与调节,特殊结构的解耦点位置,解耦点,解耦点,支腿,图 5-5 3条冗余支腿的解耦点,刚度分析与调节,3条冗余支腿的解耦点,解耦点,图 5-6 具有3条冗余支腿的Gough-Stewart机构的刚度解耦点,刚度分析与调节,冗余机构的解耦点,解耦点,被动刚度 vs. 主动刚度,总刚度,刚度分析与调节,主动刚度,被动刚度,主动刚度,刚度分析与调节,Heisson矩阵,刚度调节,刚度分析与调节,被动刚度,刚度调节,刚度分析与调节,主动刚度,刚度调节,刚度分析与调节,刚度调节,刚度分析与调节,刚度调节,刚度分析与调节,刚度