并联机器人控制新版专业系统设计与实验研究应用.doc
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1、学校代码:10151 论文成绩:学生学号:223653 大连海事大学毕 业 论 文二一年 六月 并联机器人控制系统设计与实验研究专业班级:机械设计制造及其自动化 姓 名:黄鑫 指引教师:关广丰 交通与物流工程学院内容摘要本论文重要研究六自由度平台位置反解,通过仿真实验和在xPC环境下实时控制实验来验证算法可行性。一方面,采用矩阵分析办法,推出了体坐标系与静坐标系之间变换矩阵及其液压缸上下铰支点坐标向量矩阵,由此确立了转台液压缸长度变换与上台面位置关系,从而解决了六自由度转台机构位置反解。另一方面,通过MATLAB /Simulink将方程搭建出来进行系统仿真。运用Simulink中模块将位置反
2、解方程搭建出来,通过计算机模仿仿真,由顾客给定位姿求解出缸长变换。并且通过仿真初步验证反解方程对的性。同步考虑到一定得实际状况,为使信号平稳输入,使平台平稳升到中位,加入渐缩渐放模块,以达到预期效果。最后,运用MATLAB/xPC进行实时控制。以Simulink搭建出来模型为基本,生成可以进行实时控制目的应用程序。运用此目的应用程序进行实时仿真和实时控制实验,并在此实验基本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,数据重叠度高,从而验证算法可行性。论文研究了控制并联机器人核心算法。通过对比实时控制实验数据与仿真实验数据,由数据重叠度高可得到该算法以及此算法上搭建控制系统可以用
3、于实际并联机器人控制。核心词:六自由度平台 位置反解 仿真模型 实时控制AbstractThis paper mainly studies the control of 6 DOF platform. The feasibility of the algorithm is to be verified by the simulation experiments and the real-time control experiments in xPC environment.Firstly,the coordinate-transformation matrix between static c
4、oordinate system and body coordinate system can be gotten by the matrix analysis method,and also the coordinate matrix of the rounded support can be gotten. The equations of position reverse solution of the 6 DOF platform can be established through making sure of the relationship between the change
5、of the hydraulic cylinder length and the position of the platform. Secondly,a Simulink Model is be created by using the MATLAB /Simulink. Through the computer simulation,the change of the hydraulic cylinder length can be solved by the position and orientation given by the user. Then make sure whethe
6、r the equations of position reverse solution is correct or not by simulating the Simulink Model. The module of rate limiter is added into the simulink Model in order to input the signal smoothly. Finally,the platform is controlled in real time by xPC. The xPC target application which can be put into
7、 use in the real time control is based on the Simulink Model. Through the comparison with experimental data in real-time control and simulation experimental data,the feasibility of the algorithm can be verified.This papar studies the core part of the parallel link robot. Through the comparison with
8、experimental data in real-time control and simulation experimental data,the feasibility of the algorithm can be verified,and the control system which is based on the algorithm can be used in the control of the parallel link robot.Key words 6 DOF platform;position reverse solution;Simulink Model;real
9、 time control 目 录1 绪论- 1 -1.1课题研究目和意义- 1 -1.2六自由度转台系统简介- 1 -1.3国内外研究概况- 2 -1.3.1国内研究概况- 2 -1.3.2国外研究概况- 3 -1.4本论文研究重要内容- 4 -2 六自由度转台运动学分析- 5 -2.1坐标系建立- 5 -2.2 广义坐标系定义- 5 -2.3坐标变换矩阵- 6 -2.4液压缸铰支点坐标拟定- 8 -2.4.1平台参数- 8 -2.4.2 坐标求解- 8 -2.5系统质心运动规律与控制点运动规律- 12 -2.6转台位置反解- 13 -2.7本章小结- 13 -3 基于MATLAB/SIMU
10、LINK运动学仿真- 14 -3.1系统模型- 14 -3.2系统工作范畴拟定- 15 -3.3模仿仿真- 16 -3.3.1 实验参数- 16 -3.3.2仿真成果- 16 -3.3.3仿真结论- 17 -3.4渐入渐出- 17 -3.4.1系统启动- 17 -3.4.2给入信号- 19 -3.5本章小结- 20 -4 实验研究- 21 -4.1 xPC基本概念简介- 21 -4.1.1 xPC目的概念- 21 -4.1.2 xPC目的特点- 21 -4.2 xPC目的软件环境特性- 21 -4.2.1 实时内核- 23 -4.2.2 信号采集和分析功能- 23 -4.2.3 参数调节功能-
11、 23 -4.3 xPC目的硬件环境- 24 -4.3.1 主机PC- 24 -4.4.2 目的PC- 24 -4.3.3 Host-Target连接- 24 -4.3.4 I/O驱动支持- 25 -4.4 控制系统模型完善和实时仿真- 25 -4.4.1仿真模型修改- 25 -4.4.2 创立目的应用程序- 26 -4.5实时控制实验及数据分析- 27 -4.5.1实时控制实验- 27 -4.5.3实验结论- 33 -4.6本章小结- 33 -5 总结- 34 -并联机器人控制系统设计与实验1 绪论1.1课题研究目和意义并联六自由度转台是具备重大经济价值和国防战略意义高精尖实验设备。与老式串
12、联式多自由度运动机构相比,它具备承载能力强,刚度好,无积累误差,精度高等长处。70年代初,美国NASA等研究中心发布了并联式六自由度平台研究成果之后,相继浮现了装有六自由度运动平台飞行模仿器。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应用于机器人、并联机床、空间对接计术、航空航海设备、摇晃模仿以及娱乐设施上。直到当前,并联式六自由度平台在工业上尚未得到广泛应用,其重要因素:运动学问题,特别是正运动学问题还没得到较好解决;动力学问题没有解决;平台各分支间耦合干扰难于消除。当前国内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称大,对六自由度转台控制理论、控制系统与技术
13、研究这些领域内核心课题所做工作还很粗浅。因而对六自由度核心构成某些进行进一步理论分析和实验研究,尽快研制出性能优良六自由度转台,提高国内仿真技术水平,具备重大理论意义和实际应用价值。1.2六自由度转台系统简介六自由度转台系统是对飞机、舰船、宇航和车载设备进行动态可靠性研究重要模仿实验装置,现已成为当代飞机工业、舰船、宇航和车载工业发展重要工具,同步也是相应飞行员、船员及车辆驾驶员进行飞行模仿训练、舰船航行模仿训练和车辆驾驶模仿训练有力手段。六自由度转台运动系统,除了少数采用伺服电机驱动滚动丝杠方式外,几乎都采用液压油缸驱动方式。在转台发展过程中,曾浮现过三自由度、四自由度、五自由度运动系统,1
14、965年D.Stewart提出了一种六自由度平台模型,最初用于飞行训练模仿驾驶舱31. 1978年K.H.Hunt针对串联机械手缺陷,即刚度差、承载能力弱、有误差累集等,提出并联机械手概念。此后,Stewart平台受到越来越多注重,各国学者对六自由度转台进行了广泛研究,很大限度解决了转台运动学、动力学问题151,为其在工程上应用奠定了理论基本。通过D.C.H.Yang,,T.WLee, E.F.Fichterl,曲义远、黄真等人研究,某些平台型模仿器位移逆解得到理解析分析,位移正解解析分析也获得了进展。由于在理论上基本解决了六自由度系统运动学和动力学问题,加之它能模仿船舶、飞行器、车辆六个自由
15、度动感,构造布局合理,因而得到了广泛应用。当前在航海、航空及车辆模仿器中基本采用这种六自由度运动系统。自1993年,第一台并联机器人在美国德州自动化与机器人研究所诞生以来,并联机器人无论在构造和外型都得到了充分发展,其可分为如下几类:(1)按自由度数目分类,并联机器人可做F自由度(DOF)操作,则称其为F自由度并联机器人。例如:一并联机器人有六个自由度,称其为6-DOF并联机器人。冗余并联机器人,即其自由度不不大于六并联机构。欠秩并联机器人,即机构自由度不大于其阶并联机构。(2)按并联机构输入形式分类,可将并联机器人分为:线性驱动输入并联机器人和旋转驱动输入并联机器人。研究较多是线性驱动输入并
16、联机器人,这种类型机器人位置逆解非常简朴,且具备唯一性。旋转驱动输入型并联机器人与线性驱动输入并联机器人相比,具备构造更紧凑、惯量更小、承载能力相对更强等长处;但它旋转输入形式决定了位置逆解多解性和复杂性。(3)按支柱长度与否变化分类,可将并联机器人分为:一种为采用可变化支柱进行支撑上下平台并联机器人。例如:这种六杆并联机器人称为Hexapod,运动平台和基座由六个长度可变化支柱连接,每个支柱两端分别由铰链连接在运动平台和基座上,通过调节支柱长度来变化运动平台位姿。另一种为采用固定长度支柱进行支撑上下平台并联机器人。例如:这种六杆并联机器人称为Hexaglide,运动平台和基座是由六个长度固定
17、支柱连接,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滑道上下进行移动,由此来变化运动平台位姿。相对于串联机器人来说,并联机器人具备如下长处: 与串联机构相比,刚度大,构造稳定; 承载能力强; 运动惯性小; 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。由于并联机器人在线实时计算是规定计算反解,这对串联机构十分不利,而并联机构却容易实现,由于这一系列长处,因而扩大了整个机器人应用领域。81.3国内外研究概况当前,国内外对六自由度平台研究重要集中在动力学、运动学、机构学、控制技术以及平台运动误差分析等几种方面。动力学分析及控
18、制技术研究重要是进行动力学分析和建模,并且研究控制算法,对六自由度平台实行控制。机构学与运动学分析重要研究并联机构运动学问题、奇异位形、工作空间、干涉分析和机灵度分析等方面。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基本。1.3.1国内研究概况二十世纪80年代后期到90年代中期,国内外对六自由度平台方面研究重要是在平台位置正解方面。1989年曲义远、黄真提出运用三维搜索法将6-SPS机构非线性方程组未知数降为三个,该办法具备计算速度快求解精度高,特别是初值容易选用等长处。1994年饶青等研究了普通6-6型六自由机构正解问题,依照机构几何等同性原理,采用拆杆办法,使用矢量工具
19、结合代数消元法获得了可求取其封闭解20次多项式方程。陈永等研究了普通6-SPS机构,提出了基于同伦函数新迭代法,其正位置分析模型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所有解,比老式同伦持续法简朴,简化了求解过程,提高了计算效率和可靠性,推导出了包括12个未知量12个2次方程,并把该方程40个解所有求出。郑春红等研究了基于遗传算法六自由度平台位置正解,充分运用六自由度平台位置反解相对容易求解特点,把其位置正解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杆长之差最小值优化问题,较好地克服了其他数值解法位置正解精度与初值选用有直接关系弊端。六自由度平台
20、工作空间解析求解是个极其复杂和繁琐问题,至今仍没有完善办法。1992年李瑞琴等提出用数值分析与优化相结合办法对6-SPS六自由度平台工作空间进行研究,依照该机构特点和应用需要而把上平台中心可达范畴分别定义为定姿态可达空间和工作空间两类。对于给定构造参数6-SPS机构,在拟定工作空间最高点和最低点后,即可迅速计算出其工作空间边界。1998年黄田提出以微分几何和集合论为工具,研究并联机器人工作空间解析建模办法,应用单参数曲面族包络理论,将受杆长和连架球铰约束工作空间边界问题归结为对若干变心球面族包络面求交问题。周冰等初次提出六自由度平台力工作空间概念,并对其进行了初步探讨。范守文等人提出了一种并联
21、机器人工作空间分析解析办法,该办法以曲面分析为基本,结合六自由度平台运动特性得到了其工作空间边界曲面方程,该方程是双参数隐函数方程。在六自由度平台动力学分析方面,黄真和王洪波运用影响系数法对并联机器人进行了受力分析,并建立了并联机器人动力学模型,孔令富等也建立了其动力学方程,并提出了动力学模型并联计算办法。1.3.2国外研究概况自从Stewart提出六自由度平台概念以来,国外始终都在开展关于六自由度平台理论方面研究。1984年Fichter在对六自由度并联构造作了进一步理论分析基本上,推导出位置反解方程,Yang等构造了具有六个未知数由六个非线性方程构成非线性方程组,并求解了该方程。1992年
22、Raghavan运用数值持续办法,从位置反解入手,初次推导出普通形式六自由度并联机构最多具备40个也许解。1993年,Geng和Hanes初次提出了六自由度平台立方体构造(Cubic configuration)模型;,Jafari和McInroy在给出了正交六自由度平台严格定义并进行了证明。在奇异位形研究方面Gosselin和Angeles提出了一种基本分析办法,通过机构速度约束方程把六自由度并联机构奇异位形分为边界奇异、局部奇异和构造奇异。Hunt和Fichter一方面研究了在某些详细几何条件下六自由度平台奇异位形,Merlet用Grassmen geometry法分析了六自由度平台奇异位
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