基于并联六自由度电液伺服机构的单自由度力控制研究.pdf

1、浙江大学硕士学位论文基于并联六自由度电液伺服机构的单自由度力控制研究姓名：吴剑申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：王宣银20060101浙江大学硕士学位论文摘要并联六自由度机构因其承载能力强、结构刚度好、响应快和控制精度高等一系列突出优点而在飞行模拟器、空间对接模拟、驾驶模拟训练、船载和车载运动模拟等领域得到了广泛应用目前研究并联六自由度机构的输出通常为位姿，而将输出作为力的却很少，尤其是将其用于广义加载方面，尚未见到相关研究的报道。针对这一领域的空白和实际的需求，本文将并联六自由度电液伺服机构输出看作广义力而不是位姿进行伺服控制，对其单自由度力控制进行探索性研究，这在国内外都是一种

2、新的尝试。论文研究了并联六自由度机构力加载系统的原理和结构；系统分析了单自由度力控制原理和控制方法；设计并建立了基于并联六自由度电液饲服机构的单自由度力控制实验系统并进行了实验研究。主要内容如下：第一章概述了国内外并联六自由度机构的发展和研究状况，阐述本课题的研究意义和背景，给出本论文所要开展的主要研究工作。第二章阐述了基于并联六自由度机构的广义加载系统的原理和结构。对力学模型进行理论研究，推导出并联六自由度机构的广义输出力公式，分析了广义输出力的影响因素，并针对并联六自由度机构单自由度力加载特性进行了研究分析。第三章提出了并联机构的单缸输出力小闭环和平台输出力大闭环的单自由度力控制方法。建立

3、了单缸力控制系统数学模型，并推导出系统的传递函数和控制框图。第四章建立了单缸力和并联六自由度电液伺服机构单自由度力控制系统仿真模型。并运用M a t l a b 的S i m u l i n k 仿真工具，对单缸静态力加载控制特性和各系统参数对控制特性影响进行了仿真分析同时结合所提出的控制系统模型，对并联机构单自由度输出力控制特性及其影响因素进行了仿真研究第五章建立了基于并联六自由度电液伺服机构的力控制实验系统，采用课题组自主研制的S t e w a r t 型六维力，力矩传感器作为输出广义力的检测系统，首次进行了基于并联六自由度电液伺服机构的单自由度力控制实验研究。在研究单缸力控制特性基础上

4、，进行了基于并联机构单缸输出力小闭环和平台输出力大闭环的单自由度力控制实验，对实现六缸协同力控制算法及其影响因素做了实验验证和分析。第六章对课题工作进行总结，并对将来进一步的研究工作进行了展望。关键词：并联机构，六自由度，广义加载，电液力控制，单自由度浙江大学硕士学位论文A B S T R A C T6-D O Fp a r a l l e lm e c h a n i s mi san e wt y p eo fs p a c em o t i o nm e c h a n i s mw i t hp o w e r f u ll o a da b i l i t y,g o o ds t

5、r u c t u r a ls t i f l h e s s。q u i c kr e s p o n s ea n dh i 曲c o n t r o lp r e c i s i o n,w h i c hh a sw i d ea p p l i c a t i o n si nt h ea v i a t i o n,s h i po rv e h i c l em o t i o ns i m u l a t o r,s p a c ed o c k i n g,d r i v et r a i n i n g,e t e N o w,t h es t u d i e so n6

6、-D O Fp a r a l l e lm e c h a n i s mm a i n l yf o c u so np o s ec o n t r 0 1 H o w e v e r t h e r ea r ef e wi n v e s t i g a t i o n s 甜p r e s e n to nt h ef o r c ec o n t r o lo f6-D O Fp a r a l l e le l e c t r o-h y d r a u l i cs e r v om e c h a n i s m s,p a r t i c u l a r l yo ng

7、e n e r a l i z e dl o a d i n gf o r c ec o n t r 0 1 I nt h i sd i s s e r t a t i o n,ar o u n d e da n a l y s i sa n dap r o f o u n ds t u d yh a v eb e e nc a r r i e do u ta b o u tt h es i n g l e-D O Ff o r c el o a d i n gc o n t r o lb a s e do nt h e6-D O Fp a r a l l e le l e c t r o-h

8、 y d r a u l i es e r v om e c h a n i s m,w h i c hi sd o u b t l e s san e wa t t e m p ti nd o m e s t i ce 啪o v e r s e ar e g i o nt ot a r g e t 砒t h e6-D O Fp a r a l l e le l e c t r o h y d r a u l i cs e r v om e c h a n i s m Sg e n e r a l i z e do u t p u tf o r c ec o n t r o l，b u tn

9、o ti t sp o s ec o n t r 0 1 F i r s t,t h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo ft h ef o r c el o a d i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d T h e nt h er e s e a r c ho fs i n g i e-D O Ff o r c ec o n t r o lm e t h o da n di t sc o n t r o ls t r a t e g ya r ea n a l y z e ds y s t

10、e m a t i c a l l y A n dt h ef o r c el o a d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mh a sb e e nd e v e l o p e db yo u rl a b o r a t o r yf o rt h es i n g l ef o r c ec o n t r o le x l)e r i m e n tb yw h i c ht h ee x p e r i m e n t a lr e s e a r c hh a sb e e ns t u d i e d H e r ea r et h

11、 em a i np o i n t so f t h ed i s s e r t a t i o n：I nC h a p t e rl，t h ed o m e s t i ca n do v e r s e ad e v e l o p m e n ta n dt h ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n do ft h e6-D O Fp a r a l l e lm e c h a n i s ma r es u m m a r i z e da tf a s t T h e n,t h er e s e a r c hs i g n i

12、f i c a n c eo f t h i st o p i ci se x p o u n d e da n dt h ew o r k sn e e dt od oa r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a r t I nC h a p t e r2，t h ep r i n c i p l ea n dt h es t r u c t u r eo ft h ef o r c el o a d i n gs y s t e ma r ec a r e f u l l ya n a l y z e df i r s t l y T h u s

13、，t h ea c a d e m i cs t u d yo f t h em e c h a n i c a lm o d e lb a s e do nt h e6-D O Fp a r a l l e lm e c h a n i s mi sc a r r i e do u t T h ef o r m u l ao f t h eg e n e r a l i z e do u t p u tf o r c ea b o u tt h e6-D O Fp a r a l l e lm e c h a n i s mi sd e d u c e da n dt h ei n f l

14、u e n c i n gf a c t o r so ft h eg e n e r a l i z e do u t p u tf o r c ea r ea l s oa n a l y z e d，s ot h a tt h ec h a r a g t 日o f t h es i n g l e-D O Ff o r c el o a d i n gi ss t u d i e d I nC h a p t e r3 n e wc o n t r o lm e t h o d so f t h es i n g l e-D O Ff o r c ec o n t r o l，s y

15、s t e ma r ep u tf o r w a r d 砒f i r s ta n dt h em o d e l so ft h es i n g l e-D O Ff o r c ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e6-D O Fp a r a l l e le l e c t r o-h y d r a u l i cm e c h a n i s ma r eb u i l tu p T h em a t h e m a t i c sm o d e lo ft h es i n g l e-c y l i n d e rf o r

16、 c ec o n t r o ls y s t e mi ss e tu pa n da l s ot h et r a n s f e rf u n c t i o na n dc o n t r o lb l o c kd i a g r a ma b o u ti ta r ep u tf o r w a r da tt h ee n do f t h i sc h a p t e r I nC h a p t e r4。t h es i m u l a t i o nm o d e l so f t h es I n g l ec y l i n d e rf o r c ec o

17、n t r o la n dt h es i n g l e-D O Ff o r c ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e6-D O Fp a r a l l e le l e c t r o-h y d r a u l i cm e c h a n i s ma r ee s t a b l i s h e d T h es i m u l a t i o ns t u d yo f t h es i n g l ec y l i n d e ro u t p u tf o r c ec o n t r o lp e r f o r m a

18、n c ei sf i r s t l yd e v e l o p e d T h e n,c o m b i n e dw i t ht h es y s t e mm o d e l so ft h ep a r a l l e lm e c h a n i s m,as i m u l a t i o na n a l y s i si s浙江大学硕士学位论文c a r e f u l l yc a r r i e do u ta b o u tt h eo u t p u tf o r c ep e r f o r m a n c e sa I l dt h ei n f l u e

19、 n c i n gf a c t o r so ft h es i n g l e-D O Ff o r c ec o n t r o ls y s t e mb a s e d0 1 1t h e6-D O Fp a r e l l e le l e c t r o-h y d r a u l i cm e c h a n i s m I nC h a p t e r5，t h es m O e-D o Ff o r c e-l o a d i n ge x p e r i m e n t a ls y s t e mi sd e s i g n e da n db u i l tu pt

20、 oh a v ee x p e r i m e n t so i lt h es t o d yo ft h es i n g l e D O Ff o r c ec o n t r o ls y s t e mb a s e do nt h e6-D O Fp a r a l l e le l e c n o-h y d r a u|J cm e c h a a i s m A n dt h es i xd i m e n s i o nf o r c e t o r q u eS C L S O rs u c c e s s f o l l yd e v e l o p e db yo

21、u rl a b o r a t o r yi sc h o s e na st h eg e n e r a l i z e df o r c em e a s u r i n gs y s t e mf o rt h ef i r s tt i m e B a s e do l lt h ep e r f o r m a n c es t u d yo ft h es i n g l e-c y l i n d o ro u t p u tf o r c ec o n t r o l，al o to fe x p e r i m e n t sa b o u tt h es i n g l

22、 e-D O Fo u t p u tf o r c ec e n n o lb a s e d 0 1 1t h es m a l lc l o s e d-l o o pa n dt h ee n t i r ec l o s e d l o o pa f ed e v e l o p e dt oh a v ef u r t h c Ta n a l y s i sa n dv a l i d a t i o no f t h es i x-c y l i n d e rc o o r d 删f o r c ec o n t r o la r i t h m e t i ca n di

23、t si n n u a n c i n gf 蛐l s I nC h a p t e r6。ag e n e r a ls u m m a r i z a t i o no f t h et o t a lr e s e a r c hw o r k si nt h i sd i s s e r t a t i o ni sg i v e nh e r e W h a t sm O m a l le x p e c t a t i o no f t h ef o r t h c rr e s e a r c hw o r ki sa l s ob r o u g h tf o r w a r

24、 d K e yw o r d s：P a r a l l e lM e c h a n i s m,6-D O F,G e n e r a l i z e dF o r c eL o a d i n g,E l e c t r o-h y d r a u l i cF o r c eC o n t r o l，S i n g l e-D O F1 1 1独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得迸鎏盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与

25、我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：关动】签字日期：z 庐6 年弓月7 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解堑姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权滥鎏盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：关今1签字日期：讪咿6 年弓月9 日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址；导师签名：7 亨移一期删年雩月夕日电话：邮编：第一

26、章绪论本章概述了国内外并联六自由度机构的发展和研究状况，阐述本课题的研究背景及意义，给出本论文所要开展的主要研究工作1 1并联六自由度机构研究发展与应用溉况1 1 1 国内外研究概况并联六自由度机构与传统的六自由鹰串联机构相比，具有结构刚度、承载能力强、位置精度高、响应快等一系列优点而被广为关注。目前并联六自由度机构大多采用液压伺服驱动方式，以电液伺服阀控缸作为驱动机构，增大了系统刚度，因其结构简洁，空间占用比少、施力大等优点1 1】【2 1，更适合于大负载场合。典型的并联六自由度电液伺服机构如图1-1 所示。上运动平台球铰液压伺服缸下平台台基虎克铰图1-1 并联六自由度电液伺服机构示意图最早

27、有关并联六自由度机构文章是由S t e w a r t D 于1 9 6 5 年发表的f 3】，起初设计用于轮胎测试，后又将这种机械结构置于飞机模拟装置中作为飞行模拟器，因而这种运动机构又称为S t e w a r t 机构。1 9 7 4 年，美国为六自由度飞行模拟器制定了专门的性能标准M I L S T D 1 5 8 8 1”。1 9 7 8年，H u n t 教授提出可应用六自由度S t e w a r t 平台作为机器人机构【5 l。1 9 7 9 年M a c C a U i o n,H 和P h a m。D T 首次将该机构按操作器系统设计，用于装配工作站嘲8 0 年代起，并联六

28、自由度机构的研究进入了新的阶段，基于S t e w a r t 机构的并联机器人研究在所发表的论文中占据相当一部分比例。在此期间，S t e w a r t 平台在空间交会对接(R V D)仿真技术方面得到了应用，目前应用该机构进行R V D 仿真的有美国、俄罗斯、欧空局、日本等国家和机构进入9 0 年代以来，并联机器人才被广为关注，并成为新的熟点同时一种新型的六自浙江大学硕士学位论文由度机床也被提出“。自从1 9 9 4 年G&L 公司在美国芝加哥国际机床展览会上展出了第台S t e w a r t 平台机构的虚拟轴机床后，于1 9 9 7 年欧洲国际机床展览会上，英、美、德等国展出了1 0

29、 多台的虚拟轴机床目前日本已有l O 多家公司和研究单位在生产和研制此类机床。我国并联六自由度平台起步较晚，起先均出现在引进的六自由度飞行模拟器上，如B o e i n g7 0 7、7 3 7、7 5 7 及7 7 7 飞行模拟器和三叉戟飞机和M D-8 2 飞机飞行模拟器等，都用于民航飞行员的培训。燕山大学、浙江大学、吉林工业大学、哈尔滨工程大学等一批院校及科研单位先后建立了不同规格的平台机构，其中燕山大学着重于机构在机器人操作臂的研究，吉林工业大学、哈尔滨工程大学等着重于运动模拟。清华大学于1 9 9 7 年底完成了我国第一台虚拟轴机床的研制 9 1，另外一些高校和研究单位(如东北大学、

30、沈阳机器人研究中心等)都进行了虚拟轴机床的研究和研制工作目前对于并联六自由度机构的理论研究，国内外文献主要集中于机构学、运动学、动力学和控制策略研究等领域，涉及到如输入运动信号的“洗出(W a s h o u t)一位姿正逆解、机构的运动学、奇异位形、误差分布、误差标定、结构优化，工作空间及其控制的理论和应用等方面I l o H l 6 1。其中机构学与运动分析的研究主要集中在并联机构运动学问题1 1 7 2 3 1、奇异位形【2 4 H 冽、误差分析与补偿I 冽p”、工作空间p q 删1 等，也是实现并联机构控制和应用研究的基础，因而占据重要的基础性地位。动力学分析主要是对并联机构进行动力学

31、分析和建模【4 1 1-4 9 1，其中动力学模型是并联机构实现控制的基础，因而在研究中占重要地位。动力学是研究物体运动和作用力之间关系，而并联机构作为一个复杂的动力学系统，存在严重的非线性，具有多个输入和输出，之间存在着错综复杂的耦合关系。控制策略的研究是运用多种可能的控制算法对并联机构实施控制，从而达到期望的控制效果。目前由于工作空间的限制、运动系统结构与经济性要求，一般都采用对称伺服阀控制非对称液压缸组成系统的非对称动力机构。由于液压固有频率，液压阻尼比等参数较低，使得非对称动力机构在正反向运动时的静态和动态特性也不一样，传统的控制策略对于并联六自由度运动系统来说，很难满足控制要求。国内

32、近年来对六自由度并联机器人的鲁棒最优控制、双自由度P I D 电液速度控制、自适应控制、干扰前馈补偿控制等进行一定的理论和实验研究，控制效果还有待提高”o h m 4 1。相比之下，国外对虚拟现实的六自由度并联机器人模糊控制系统做了实验研究。获得了较好的运动平滑性和控制精度口”。美国K a r l s r u b e 大学成功地将洗出滤波柔性控制应用于六自由度并联机器人。取得了优于常规P l D 控制的控制效果I 刈。从实践经验可看出，具有鲁棒性智能控制和具有负载力干扰补偿的鲁棒控制方法是目前国内研究并联六自由度机构控制策略的重点。从国内研究状况看，燕山大学、吉林工业大学、哈尔滨工程大学，北京

33、航空航天大学等先后建立了不同规格的平台机构，分别从机构学、运动学、动力学、位姿精度、特殊形位及单缸控制方面进行了相关研究。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室自从1 9 9 2 年开2浙江大学硕士学位论文始研制并联驱动六自由度电液伺服平台，通过省级鉴定，达到国际先进水平并获浙江省科技三等奖，各项性能指标达到或超过美国军用标准M I L-S T D 一1 5 5 8 的要求。多年来对整个平台全行程位姿精度控制，误差标定、加速度平滑控制、平台大闭环控翎等进行了研究，积累了丰富的经验p 7 -,6 2 1 1 1 2 应用前景介绍并联六自由度机构由于本身的结构特点，随着对其理论研究的深入，它的应用前景【6 3 H 7 0 1也日益广泛，应用领域也不断扩展。从工作特性上看，目前应用主要有以下三大类：机器人操作器、虚拟轴机床及运动仿真器。(1)机器人操作器将并联机构作为机器人操作器来进行大工件的装配