并联机构动力学建模及控制

论文摘要

并联机构具有高速、高精度、承载能力大等优点,但工作空间相对较小,奇异位形复杂。因此并联机构在需要高刚度、高精度或者大载荷而无须很大工作空间的领域内得到了广泛应用。随着工业上对高速高精度需求的日益增加,并联机构的研究也越来越受到人们的重视。在过去的二十年里,并联机构的特性、结构和运动学得到了广泛研究,但是动力学的研究却相对较少。并联机构作为一个结构复杂、多变量、多自由度、多参数耦合的非线性系统,动力学建模及控制极其复杂。本文对目前常用的四种动力学建模方法,牛顿-欧拉方法、直接拉格朗日方法、拉格朗日—达朗贝尔方法和虚功原理的方法进行理论分析,总结出这四种建模方法的优缺点及在建模过程中应注意的关键问题。在此基础上,对基于动力学的几种控制算法,经典PD控制、增广PD控制及计算力矩控制,进行理论及稳定性分析。并且基于并联机构在雕刻、切割等加工应用中对轮廓精度要求高的特点,将轮廓控制算法在并联机构中的应用进行了研究。通过在期望轨迹建立移动坐标系,将跟随误差分解为切向误差、法向误差及副法向误差。经过坐标变换得到工作空间误差动力学方程,然后采用计算力矩控制算法设计控制器。以一个三自由度纯平动并联机构Orthopod为实验对象,采用拉格朗日-达朗贝尔的方法建立动力学方程,采用PD控制、增广PD控制,计算力矩控制及轮廓控制算法设计控制器。针对Orthopod作为雕刻机的设计目的,以轮廓误差作为主要性能参数,将四种控制算法的控制效果进行比较。实验结果显示轮廓控制算法比其他算法具有更高的轮廓精度,更适用于雕刻、切割等加工应用。

论文目录

• Acknowledgements
• 摘要
• ABSTRACT
• LIST OF FIGURES
• LIST OF TABLES
• Chapter 1 Introduction
• 1.1 Comparison of Serial and Parallel Manipulators
• 1.2 The Development of Parallel Manipulators
• 1.3 Motivation and Contribution
• 1.4 Outline of the Thesis
• Chapter 2 Dynamics of Parallel Manipulators
• 2.1 The Methods of Dynamic Modeling
• 2.1.1 The Newton-Euler Formulation
• 2.1.2 The direct Lagrange Formulation
• 2.1.3 The Lagrange-D’Alembert Formulation
• 2.1.4 The Principle of Virtual Work
• 2.2 Analysis of Dynamic Modeling Methods
• Chapter 3 Control Strategies of Parallel Manipulators
• 3.1 The Control Strategies Based on Tracking Error
• 3.1.1 PD Control
• 3.1.2 Augmented PD Control
• 3.1.3 Computed Torque Control
• 3.2 The Contouring Control
• 3.2.1 The Tracking Error Dynamics
• 3.2.2 The Contouring Error Dynamics in the Task Frame
• 3.2.3 Controller Designing Based on Error Dynamics
• Chapter 4 Experimental Device and Implementation
• 4.1 The Prototype of the Orthopod
• 4.2 The Kinematics of the Orthopod
• 4.2.1 The Forward Kinematics
• 4.2.2 The Inverse Kinematics
• 4.3 The Dynamics of the Orthopod
• 4.4 The Parameters of the Orthopod
• 4.4.1 The Measured Parameters of the Orthopod
• 4.4.2 System Identification
• Chapter 5 Experimental Results
• 5.1 The Desired Trajectory
• 5.2 Control Algorithms
• 5.3 Experimental Results
• 5.4 Experimental Analysis
• Chapter 6 Conclusion
• Reference
• 攻读学位期间发表的学术论文