混合驱动冗余并联机构控制策略研究

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冗余驱动并联机构不同与传统并联机构,其不但具有较大的承载能力与较高的运动精度,而且能够有效克服机构死点位形并增大机构工作空间,因此非常适用于建筑施工机器人设计。同时,由于该机构存在多于机构自由度数目的线性无关驱动数,因此机构各关节驱动之间的耦合性大大增加,这也使得机构驱动力协调性成为研究与应用冗余驱动并联机构的关键问题之一。本文以一种适用于建筑施工的三自由度冗余驱动并联机构为研究对象,对冗余驱动并联机构的结构特性以及控制特性进行了系统分析,以优化机构驱动力协调性,增强机构运动稳定性为目标,进而构建了一套驱动协调控制策略。本文主要研究内容如下:(1)结合冗余驱动并联机构的定义,对机构特性进行了系统分析,阐述了其工作原理以及性能优势。通过建立机构运动学与动力学模型,分析研究了机构工作空间以及动力学性能。(2)分析讨论了冗余驱动并联机构三种常见的控制模式,并选取力位混合控制模式,建立了该机构整体控制方法。利用最小二乘法对机构驱动力进行了优化分配,实现了机构整体性能优化。在此基础上,进一步深入分析了机构驱动力协调性机理,阐述了机构驱动力协调性与其末端运动轨迹的内在联系。(3)利用B样条曲线对该机构的末端运动轨迹进行了参数化表达,建立了包括驱动力协调性在内的多目标优化函数。基于多目标粒子群算法对多目标优化问题进行了求解,利用仿真分析对该优化算法的有效性以及通用性进行了验证。(4)建立了机构整体运动仿真平台,结合机构综合最优轨迹评价方法,通过Matlab与Adams联合仿真,模拟实验验证了整体控制策略的有效性。最后,总结阐述了该力位混合驱动下的冗余驱动并联机构控制策略。该研究对冗余驱动并联机构进行了系统的分析,深入研究了其机构构型与控制方法设计,揭示了其机构驱动力协调性机理。并在此基础上,通过将力位混合控制方法与机构驱动力优化分配以及轨迹规划等一系列控制方法相结合,构建了一套冗余驱动并联机构控制策略,实现了冗余驱动并联机构各项关键性能的提升。
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