MODELING AND CONTROLLING OF PARALLEL MANIPULATOR JOINT DRIVEN BY PNEUMATIC MUSCLES

A parallel manipulator joint driven by three pneumatic muscles and its posture control strategy are presented.Based on geometric constraints and dynamics,a system model is developed through which some influences on dynamic response and open-loop gain ate analyzed including the supply pressure,the initial pressure and the volume of pneumatic muscle.A sliding-mode controller with a nonlinear switching function is applied to control posture,which adopts the combination of a main method that separates control of each muscle and an auxiliary method that postures error evaluation of multiple muscles,especially adopting the segmented and intelligent adjustments of sliding-mode parameters to fit different expected postures and initial states.Experimental results show that this control strategy not only amounts to the steady-state error of 0.1°without overshoot,but also achieves good trajectory tracking.     

气动人工肌肉并联机器人平台

提出一种基于气动人工肌肉的新型3自由度并联机器人平台,该机器人平台结构简单,具有3转动自由度。在对该新型3自由度并联机器人平台运动学和动力学特性理论分析的基础上,采用模糊变结构控制策略设计了新型3自由度并联机器人平台的两层滑模模糊变结构控制器,并建立了试验系统,开展了新型3自由度并联机器人平台的试验研究,其最大位置跟踪误差0．3 mm,当气源压力改变后,最大跟踪误差仍小于0．6 mm。试验结果表明,采用气动人工肌肉作为驱动装置设计的3自由度并联机器人平台是可行的,两层滑模模糊变结构控制策略对于该系统是适合的。     

平面2自由度驱动冗余并联机器人的性能分析

以一种平面2自由度驱动冗余并联机器人为研究对象,对该机器人机构尺寸进行量纲一化,给出反映机构几何参数变化范围的空间模型,建立机构的运动学方程,得到位置反解和速度雅可比矩阵。定义并计算机器人的全域性能指标,探讨机器人的雅可比矩阵条件数、承载能力及刚度等全域性能指标与机构杆件尺寸之间的关系,并在空间模型内绘制相应的性能图谱;根据性能图谱,总结三种性能指标在空间模型内的分布规律,分别给出每种性能指标值较好的机构尺寸范围;最后对三种性能指标较好的尺寸范围进行了综合,得到同时考虑三种性能指标优化的最佳尺寸范围。这些图谱使机器人依据运动学性能指标进行优化设计成为可能,图谱分析为实现并联机器人机构设计的计算机辅助设计提供了一种简单、有效途径。     

并联机构主模块伺服系统参数辨识与整定

研究一种小型可重构并联机构主模块伺服系统参数辨识与整定方法。首先导出外移动副驱动,含平行四边形支链结构的位置、速度及加速度逆解模型,并利用虚功原理建立其刚体动力学逆解模型。在此基础上,提出辨识该类伺服系统参数的一种方法。该方法采用变频三角波输入,克服了伪随机二位式序列信号幅值变化大,易造成对伺服电动机冲击,引起其速度环开环等问题,且通过附加惯性负载,可将包括伺服系统转动惯量在内的所有参数辨识出来。进而,以超调量和上升时间为优化目标,考虑随位姿变化的极限负载,对伺服系统控制器参数进行了整定,给出了伺服系统控制器参数的范围。最后,试验验证了该方法的有效性和正确性。     

基于全域优化的高速并联机械手控制器参数整定

提出一种新的定常PID参数整定方法。该方法综合考虑机电耦合效应、全域综合性能及随位姿实时变化的惯性负载,在操作空间内设计三条带有权重的运动轨迹,利用运动学正、逆解模型及刚体动力学逆解模型,直接建立以末端执行器操作空间的方均根误差最小为优化目标的整定方案,对伺服系统控制器的参数进行了整定。通过实例分析,给出使系统在整个工作空间内趋于最优的控制器参数的范围。该方法有效地解决了传统整定方法因其多目标函数相互制约而难以得到最优解的问题。试验验证该方法的正确性和有效性。     

4自由度并联机器人刚度分析

少自由度并联机构应用于机床上时要求具有很高的刚度,而少自由度并联机器人的刚度和机器人雅可比矩阵有很密切的关系。采用螺旋理论方法求出了4-RUC 4自由度并联机构的雅可比矩阵,推导出4自由度并联机器人的刚度计算公式和条件指数计算公式,分析了少自由度并联机器人在某一位置时(z=0)最大和最小刚度所在的方向,给出了这种4自由度并联机器人的最大和最小刚度曲线,通过曲线可以评价出此并联机构在各个方向上刚度大小,为这种机器人的应用和开发提供了有力的依据。     

气动肌肉驱动关节的输入整形研究

为解决气动肌肉驱动关节在阶跃信号输入下的运动存在残余振荡的问题,提出了输入整形法。对关节的三种整形输入方式的特点进行了理论分析和试验研究。试验结果表明,选择适当的输入时滞时间和幅值可以有效地减小关节运动的残余振荡。提出的方法实现简单,效果好。     

DIMENSIONAL DESIGN THEORY AND METHODOLOGY OF 6-DOF SCISSOR PARALLEL MANIPULATOR

Parallel manipulators have many advantages over serial manipulators in terms of high load/weight ratio, velocity, stiffness and precision. A dimensional design theory and methodology of six degrees of freedom scissor parallel manipulator (SPM) is investigated. The SPM kinematics inverse equation is given. Based on the formulation of the local dexterity and the definition about the indexes of workspace incircle radius, the effects of the design parameters on the dexterity and workspace are discussed. Moreover the incircle radius change ratio about workspace are defined and used as the evaluated indicator to analyze the effects of the design parameters on the performances. A dimensional design theory that could satisfy the requirement of dexterity and workspace is proposed. The dimensional design theory and methodology can be of help in the design, trajectory planning and control of parallel manipulator.     

空间并联机构运动学与动力学逆解的模块化计算方法

应用模块化计算方法研究了空间并联机构的运动学与动力学逆解,计算效率能够满足实时控制的要求。通过对各类支链运动学及动力学逆解的分析,应用牛顿-欧拉法并引入拉格朗日乘子建立了空间并联机构的动力学逆解模型,提出了空间并联机构运动学与动力学逆解模块化计算软件的系统构架。结果表明该方法适用于各类非冗余空间并联机构的运动学与动力学逆解的自动建模和可重构设计,并给出了一种新型并联机构的分析实例。     

INSTANTANEOUS KINEMATIC CHARACTERISTICS OF ASPECIAL 3-UPU PARALLEL MANIPULATOR

0 INTRODUCTIONA new hotspot of the research of parallel robots is the newstyle lower-mobility (2~5) parallel robots at present. Because osimple structure and low cost, the lower-mobility parallel robotcould be widely applied in industry and other field. O…     

并联机构中奇异位形的分类与判定

基于拓扑学和微分几何等数学工具研究并联机构位形空间的拓扑几何性质,并据此对并联机构中存在的奇异位形进行分类,揭示了各种奇异位形的不同物理意义,同时给出了不同奇异位形的计算方法。该方法适用于一般并联机构的奇异位形计算。最后对几种典型并联机构的奇异性进行了分析。     

KINEMATICS OF 3-DOF PYRAMID MANIPULATOR BY PRINCIPAL SCREWS

0　ＩＮＴＲＯＤＵＣＴＩＯＮＯｎｅｗｈｏｌｅｃｅｎｔｕｒｙａｇｏＢａｌｌ[1] ｐｕｂｌｉｓｈｅｄｈｉｓｃｌａｓｓｉｃａｌｗｏｒｋ ,ｉｎｗｈｉｃｈｈｅｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅｓｃｒｅｗｔｈｅｏｒｙ .Ｈｕｎｔ[2 ] ｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｌｌｔｈｅｓｃｒｅｗｓｙｓｔｅｍｓ .Ｔｈｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆａｌｌｔｈｅｓｃｒｅｗｓｏｆａｓｃｒｅｗｓｙｓｔｅｍｉｎｔｈｒｅｅ ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｐａｃｅｉｓｒｅｇｕｌａｒ .Ｆｏｒａｔｈｉｒｄ ｏｒｄｅｒｓｃｒｅｗｓｙｓｔｅｍ ,ｔｈｅａｘｅｓｏｆａｌｌｔｈｅｓｃｒｅｗ…     

一种3自由度并联柔索驱动柔性操作臂的建模与控制

以一种3自由度并联柔索驱动机器人为研究对象,研究这种并联柔性系统的控制规律。考虑到运动描述的唯一性及易测性,取约束关节的位置作为广义关节变量,用以描述操作臂的运动状态。在此基础上分析了操作臂的运动学和静力学关系,建立了并联柔性系统的动力学模型。然后,以轨迹控制为目标,分别基于刚性模型和柔性模型设计控制器,并对系统的性能进行分析和仿真。结果表明:基于刚性模型控制器的性能较差,而基于柔性模型的奇异摄动方法则可以获得较好的控制效果。     

3SPS-3PRS并联机构构型分岔特性

作为轴对称矢量喷管转向控制驱动机构的Gough-Stewart类并联机构,主要工作在奇异位置状态.在该位置,驱动平台能够获得一个绕其法线的自由转动,导致转向控制驱动机构的运动具有不确定性.为此,采用少自由度3SPS-3PRS并联机构限制该自由转动,通过对少自由度3SPS-3PRS并联机构的分岔特性研究发现,该并联机构存在尺度极限奇异位置,且输入参数的取值对由尺度极限奇异位置决定的并联机构的工作空间影响较大.对于给定的矢量状态要求,3SPS-3PRS并联机构的输入参数变化范围有可能超出由尺度极限奇异位置确定的工作空间,导致3PRS运动链产生较大的约束内应力,同时并联机构的工作空间跨越奇异位置使得动平台在通过奇异位置后的构型具有不确定性,因此该并联机构的运动奇异性问题依然存在.     

一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学建模和运动控制

对一种新型两自由度柔性并联机械手的动力学模型和运动控制进行研究。首先,考虑刚—柔耦合影响,利用假设模态法和Lagrange乘子法,推导出系统的动力学方程,该方程为微分—代数方程组。为了设计控制器,采用坐标分块法将该微分—代数方程组化为二阶微分方程组。然后,根据机械手的控制要求,采用滑模变结构方法设计控制器,该控制器能跟踪所期望的运动轨迹,同时柔性构件的弹性振动得到抑制。仿真结果表明该控制器的可行性和有效性。     

3自由度并联柔索驱动变刚度操作臂的刚度控制

利用柔索的弹性及驱动冗余性构造了一种3自由度并联柔索驱动变刚度操作臂,在静力学与刚度分析的基础上,进行刚度控制研究。首先,将柔索驱动力映射到关节空间,并分析等效关节力与柔索张力和外力的关系, 提出该操作臂的三维力矢量闭合原理。根据微分变换原理进行刚度分析,得到关节刚度矩阵及操作手刚度矩阵, 并进行数值算例分析,结果表明:刚度与柔索的张力有关,调节柔索张力可以改变系统刚度。最后,采用位置与张力混合控制的策略,对该变刚度操作臂进行了刚度控制,并进行了仿真验证。     

平面2自由度驱动冗余并联机器人的机构设计

机器人机构参数的设计是极其复杂的难题。研究一种平面2自由度驱动冗余并联机器人的机构设计方法,首先建立了该并联机器人机构的空间模型,在此基础上探讨了该并联机器人机构的工作空间性能指标与杆件尺寸之间的关系,并绘制了相应的性能图谱,这些图谱是该并联机器人的机构设计的重要参考依据,该方法为实现并联机器人机构设计的计算机辅助设计提供了一种简单、有效途径。     

PROPERTY IDENTIFICATION OF SINGULARITY LOCI OF GOUGHSTEWART MANIPULATOR

The pro'blem of identifying the property of singularity loci of Gough-Stewart manipulators is addressed. After constructing the Jacobian matrix of the Gough-Stewart manipulator, a cubic polynomial expression in the mobile platform position parameters, which represents the constantorientation singularity locus of the manipulator, is derived. Graphical representations of the singularity locus of the manipulator for different orientations are illustrated with examples. Further, the singularity locus of the manipulator in the principal-section, where the mobile platform lies, is analyzed. It shows that singularity loci of the manipulator in parallel principal-sections are all quadratic expressions including a parabola, four pairs of intersecting straight lines and infinite hyperbolas. Their geometric and kinematic properties are also researched as well.     

小型空压机直接驱动型气动位置控制系统

提出了一种新型的气动位置控制系统,它主要由小型空压机、ON/OFF电磁阀和气缸组成。通过直接驱动小型空压机和ON/OFF电磁阀来实现气缸的位置和速度控制。叙述了该小型空压机的结构组成、工作原理及特点。通过试验验证了该气动位置控制系统的有效性。     

平面柔性并联机器人动力学建模

利用有限元理论研究柔性并联机器人动力学建模的理论和方法,分析各支链的弹性位移及其耦合关系,建立柔性并联机器人系统的运动约束条件和动力约束条件。综合考虑构件的分布质量、集中质量以及杆件的剪切变形、弯曲变形、拉压变形和横向位移的影响,运用运动弹性动力学理论和Lagrange方程,推导出平面柔性并联机器人的动力学方程。以平面3-RRR柔性并联机器人为例,说明该动力学模型能正确反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。