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1PT+3TPS型并联运动平台智能控制系统的设计与实现

时间:2018-02-09 20:44来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是控制工程论文,针对 1PT+3TPS 型并联机构进行了自由度计算、位置反解分析和运动学分析,得到了并联机构动平台位置姿态和驱动支链长度的映射关系以及动平台运动速度和驱动。
第一章 绪论
 
1.1 课题背景和研究意义
机器人是一种能自动执行工作的机械装置,按照机械组成结构划分,机器人包括串联机器人和并联机器人两类。串联机器人结构相对简单,对它的研究相对成熟,应用也随之广泛;并联机器人的机械结构和运动规律相对复杂,但是由于它和串联机器人相比较具有结构紧凑、刚度大、承载能力强、运动精度高、移动部件质量小、位置反解简单等优点,所以能应用于许多串联机器人不适用的领域,与串联机器人互相补充。在串联机器人所不擅长的应用场景,并联机器人大都能很好的发挥效用,并联机器人已被用于食品包装、医药制造分拣、五金加工、电子制造、零件抛光等工作。如今,对并联机器人的研究已成为机器人学界的热点之一[1]。并联机构具有的结构紧凑、刚度高、承载力强、精度高、动态性能好[2]的优点,在结构和性能上和与串联机构的对应关系,使得并联机构的研究得到越来越多的关注。随着学术界对并联机构的不断研究,并联机构的机构学相关理论也被逐渐完善,目前有关多自由度并联平台位置分析、运动学分析、动力学分析以及奇异位形分析等都已得到了广泛的研究。伴随着深入的机构学理论研究和广泛的工程实践,并联机构已经被先后应用于很多场合,如运动模拟器、高速机械抓手、微操作机器人、汽车零部件加工装配装置、并联机床、医疗器械等[3]。本文所研究的 1PT+3TPS 三自由度并联机构属于并联机器人中的少自由度并联机构,除了具有一般并联机器人的优点,还具有相对结构简单、控制方便等特点,适用于动感运动模拟器、并联机床等应用场合。
 
 
1.2 并联机构的应用和研究现状
 
1.2.1 动感游戏模拟器的研究现状
动感运动模拟器的起源最早可以追溯到美国军方所使用的航空模拟器,美国军方为了减少培训的投入和提高培训的安全性,在飞行培训初级阶段借助模拟器来对飞行员进行驾驶培训。航空模拟器可以模拟飞机的起降、盘旋、巡航等飞行过程,后来逐渐发展成各种运动模拟器。现在运动模拟技术已经广泛应用于飞行模拟、汽车驾驶模拟、娱乐体验模拟等场合。随着人们对模拟体验的需求不断增多,能够迎合大众的、有新鲜刺激体验的运动模拟设备将会有广阔的前景[4]。动感运动模拟器为了实现在运动模拟和视觉模拟上的同步,通常都会使用动感运动模拟软件同步传输视觉画面与姿态数据到显示设备与机械运动装置中。视觉画面显示通常的做法是在动感运动模拟器的前方设置一块屏幕,或者可以使用头戴虚拟现实设备实现同样的功能,搭配控制软件控制模拟器运动使得模拟者的身体在空间中有各种姿态变化,获得的视觉上和体感上的统一感受,使得使用者可以体验到一种像身处于虚拟世界的真实感。图 1-1 为国航引进的最新的空客 A320 的飞行运动模拟器,该模拟器采用的是Stewart 结构,具有整体刚度高、可靠性高、仿真程度好等特点。但是其巨大的体积、复杂的结构和高昂的造价使得该型模拟器难以直接应用到一般的运动模拟场合。在飞行员用飞行运动模拟器训练时,飞行运动模拟器具有模拟效果好、效率高、危险性小、成本低的特点,在培养飞行员的过程中发挥了至关重要的作用,因此被迅速的运用到了各种军用和民用测试、仿真领域。例如,动车、船舶、坦克、汽车等车载设备的虚拟驾驶和测试,此外还有应用于游乐场的动感娱乐设施等[5]。
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第二章 并联运动机构位置反解与运动学分析
 
并联运动平台是指具有两个或者两个以上驱动支链的运动平台。并联运动平台一般由动平台、固定平台和连接两个平台的独立的运动支链组成,动平台具有两个或者两个以上的自由度[16]。本文中的 1PT+3TPS 型并联运动平台具有 3 个自由度,是一种少自由度并联机构。本章分析了该型并联机构的运动形式和特性,推导出该机构的位置反解方程,并对其做运动学分析,为后续的控制器的设计实现过程提供了理论基础。
 
2.1 1PT+3TPS 型并联机构的坐标系建立与坐标变换
并联运动机构的位置反解指的是已知并联运动机构平台的位置和姿态,通过方程求解并联运动机构各个运动支链位移量的过程。位置反解分析在并联运动机构的研究中占有重要的位置,是研究并联运动机构的位置分析、速度分析、工作空间分析、动力学分析和控制器研发的基础[17]。本文所研究的并联机构称之为 1PT+3TPS 型并联机构,其中 P 代表移动副,T代表虎克铰,S 代表球铰,并联机构由中间的 PT 结构、外围均匀分布的三个 TPS结构和上下方的动平台与固定平台组成,PT 结构和 TPS 结构两部分下方连接在固定平台上,上方连接在动平台上。其中中间的 PT 结构中的移动副为从动副,外围的 TPS 结构中的移动副为主动副,通过驱动 TPS 结构中的移动副,分别改变三个移动副的运动长度,便可以控制动平台的两个方向的姿态和一个方向的位置.
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2.2 本章小结
本章对 1PT+3TPS 型并联机构进行了简要的介绍,描述了该型并联机构的组成,分析了该并联机构的特点并计算了该并联机构的自由度。根据该并联机构的结构模型,在并联机构的固定平台和动平台上建立了相应的坐标系,依据并联机构固定平台和动平台的机械连接关系,对并联机构的动平台进行相应的坐标变换得到该并联机构的位置反解方程;对于该并联机构,本章还进一步对其进行了运动学分析,得出该并联机构的雅克比矩阵。本章的一些对并联机构的理论分析和计算为本文进一步设计和实现该型并联机构的控制器提供了相应的理论基础。
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第三章 基于强化学习的自适应 PID 控制器的设计与实现...........14
3.1 经典数字 PID 控制器............... 14
3.1.1 连续 PID 控制原理............ 14
3.1.2 数字式 PID 控制器............ 14
3.1.3 经典数字 PID 控制器的优势与不足........ 15
3.2 强化学习的基本原理和模型 ............... 16
3.3 强化学习的基本算法 ............... 17
3.4 基于强化学习的自适应 PID 控制系统的组成........... 20
3.5 控制系统的 MATLAB 数字仿真和实验......... 24
3.6 本章小结 ........... 33
第四章 动感运动模拟器控制器的设计与实现.......35
4.1 动感运动模拟器控制器硬件系统的组成 ....... 35
4.2 动感运动模拟器的控制量分析 ........... 39
4.3 动感运动模拟器控制器软件系统的组成 ....... 40
4.4 动感运动模拟器控制器数据收发系统的设计 ........... 44
4.5 动感运动模拟器的联动控制实验 ....... 48
4.6 本章小结 ........... 50
第五章 并联钻床控制器的设计与实现.......51
5.1 并联钻床的硬件组成 ............... 51
5.2 手动调姿控制器的设计与实现 ........... 54
5.3 自动调姿控制器的设计与实现............ 58
5.4 并联钻床的示教再现系统的设计与实现 ....... 62
5.5 本章小结 ........... 67
 
第五章 并联钻床控制器的设计与实现
 
5.1 并联钻床的硬件组成
本文中所控制的并联钻床是一款可以用来在曲面零件表面上打孔的机床。其硬件部分包含由并联运动机构组成的机械结构和控制并联机床运动的控制器硬件两部分。并联钻床的机械结构主要由并联运动装置和 XY 运动平台组成,驱动方式分别为伺服电动缸和伺服电机。其驱动控制硬件部分主要是工控机和 PCI 运动控制卡,运动控制卡安装在工控机的 PCI 插槽中,控制卡上的脉冲信号接口与驱动器上的脉冲信号接口相连接,通过在工控机上编写程序来控制伺服电动缸和伺服电机完成相应的运动来实现对并联钻床的控制。并联机构的定平台和龙门架刚性连接,而并联机构的动平台处于下方,动平台上固定有钻头给进机构,钻头给进机构上安装有一台用于钻孔的气钻。龙门架下方固定一个 XY 工作平台,该平台可在水平面上的两个方向移动,而上方倒置的并联机构可以有两个方向的转动和一个方向的移动。通过两个机构在三个方向上的移动和两个方向上的转动便可以对某些曲面零件在其表面的法线方向进行钻孔。其钻孔方式为:工件装夹在 XY 工作平台上,并联钻床的控制系统通过控制并联机构的动平台调整钻头的朝向与向下伸出距离,控制 XY 运动平台在水平面上移动的距离,使钻头能运动到零件表面需钻孔点处并指向该点法线方向,然后给进结构伸出完成对该点进行钻孔。并联钻床中的并联机构稳定性好,其并联机构中间的从动腿能保证动平台中心能稳定的在竖直方向上运动,同时周围的驱动腿通过伸缩准确的控制动平台的姿态。驱动腿采用的折叠式的伺服电动缸驱动,相比于直连式电动缸其长度短,所以组成的并联机构结构紧凑,刚度大。下方的 XY 运动平台采用的驱动方式为伺服电机,两个方向的电机连接滚珠丝杠从而带动工作平台在两个方向平动。并联钻床要解决的问题是实现快速对曲面零件钻孔,利用并联机构能够快速调整姿态的优势,使得钻头能迅速对准需要钻孔的方向,结合并联钻床 XY 运动平台的多轴运动,便能够高效的对曲面零件进行钻孔。
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总结
 
本文以基于 1PT+3TPS 型并联机构研发的动感运动模拟器与并联钻床为控制对象,分别搭建了其硬件控制环境,完成了动感运动模拟器的数据传输和自适应控制软件系统开发,完成了并联钻床手动控制、自动调姿和示教再现软件系统开发。本文具体的研究工作与研究成果如下:1、对 1PT+3TPS 型并联机构进行了自由度计算、位置反解分析和速度反解分析,得到了驱动支链长度和动平台姿态的映射关系以及驱动支链运动速度和动平台姿态调整速度的映射关系,为并联机构控制器的实现提供了理论依据。2、为了提高并联运动平台控制器的适应性和控制准确性,将强化学习理论和自适应控制思想相结合提出了一种基于强化学习的自适应 PID 控制器,将其作为并联机构中驱动支链的控制器。该控制器能随着控制过程在线自整定 PID 参数,使得通用型动感运动模拟器在搭载不同的负载时都具有良好的运动效果。3、设计并实现了动感运动模拟器的控制软件。针对动感运动模拟器,选用ARM 控制板作为控制硬件平台,使用 USB 总线和 RS-485 总线分别连接电脑和驱动器;采用 USB 协议实现和电脑的数据传输,采用 MODBUS 协议完成和驱动器的数据传输。基于强化学习 PID 控制算法设计了动感运动模拟器的控制器,软件系统实现了姿态数据的提取、数据的发送与接收、运动模拟器的姿态解算、动感运动模拟器的运动控制等功能,达到了动感运动模拟器随着游戏主体姿态运动的同步。4、设计并实现了并联钻床控制器和配套操控软件。针对需要控制并联钻床 5个驱动轴的情况,搭建了以工业控制计算机和运动控制卡结合的硬件控制平台,在软件系统上实现了对并联钻床的手动控制,设计了粗/细调切换模式,优化了人工操控并联钻床的方式;设计了一种通过传感器测量自动调姿对齐钻孔点法线方向的方法,提高了调姿的精度和效率;设计实现了一种并联钻床示教再现系统,在加工一批相同零件时,只需对该批次首个零件的加工过程进行示教,其余零件便可以通过自动再现完成相同的加工过程,提高了加工效率。本文对基于强化学习的 PID控制器的研究推动了智能化控制理论在并联机构控制领域中的应用;对两种并联机构控制系统的研究对推动 1PT+3TPS 型并联机构在工程领域中的应用,有着重要的实用价值。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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