一种应用于教学实验的平面五杆并联机构的设计与分析

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机械电子工程专业是一个跨电子、计算机与机械学科的综合性交叉学科。因此,在实际的教学实验中有必要设计一个综合性试验平台,便于学生加深对该专业内涵的理解。针对机械电子工程专业的跨学科的特点,本文提出了一种应用于其教学实验的平面并联机构,并对其进行了设计和分析。  首先,对平面五杆并联机构的运动学和动力学进行了分析。由于五杆并联机构具有很多奇异位形,因此在运动学分析中需要着重考虑其奇异位形的影响。条件数的逆可以作为衡量末端执行器与奇异位形距离的参数。通过给出不同的构型下条件数的逆在工作空间的分布图,可以方便地定义优化的工作空间。优化的工作空间最大限度地削弱了各种奇异位形的影响,为以后的控制策略中的轨迹规划奠定了理论基础。同时通过求出内力项的零空间的解,得到本平面并联机构的动力学方程,解决了并联机构动力学方程求解复杂的困难。  其次,对机构的硬件电路和软件设计进行了阐述。考虑本机构的结构拆装灵活的特点,硬件结构采用了三层主从式结构。控制器之间的通讯方式采用了RS232串口通讯和SPI两种形式。并针对电机控制,设计了电机驱动电路、保护电路及抗干扰电路等等。根据硬件结构的主从式结构的特点,控制结构采用全闭环控制。其中,主控制器作为位置环控制器,从控制器作为速度环控制器。  最后,提出了三种基于平面五杆并联机构的动力学模型的控制算法PD控制、增广PD控制及计算力矩控制。利用MATLAB仿真了三种控制算法应用于本平面并联机构的控制效果。计算力矩控制的控制效果最佳,可以将末端执行器的位置误差控制在0.001mm之内。  本文提出的平面五杆并联机构集成了机械电子学科的多种主要性能,可以作为机械电子学科的教学平台。基于本文的研究成果,在该教学平台上可以进行三种实验:控制策略设计实验,优化设计实验和拓展电路实验。通过上述实验可以加深学生对机械电子学科的内容的理解,培养学生动手能力及创新思考的能力。
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