魏宏[1]2004年在《混合驱动五杆机构结构和控制的集成设计研究》文中指出混合驱动平面五杆机构设计及其面向控制设计的研究越来越受到研究人员的重视。本文研究的是面向控制的平面五杆机构点位对应设计问题，在综合考虑机构运动学、动力学和控制器设计后，提出了势能不变结构和解耦条件下机构和控制器集成设计的方法。本论文的主要内容如下： 1．为了获得平滑的伺服电机运动并便于控制器的设计，采用贝塞尔曲线来设计伺服电机的运动方程；选用无条件两回转副作为平面五杆机构的设计类型，并以此建立约束方程。运动学优化的目标方程为在各预定时刻未端效应器与设计目标点之间的距离误差之和。 2．在推导出一般情况的平面五杆机构动力学方程的基础上，提出混合输入五杆机构解耦和势能不变结构的条件，并推导出满足该条件的五杆机构的简单动力学方程。 3．选择PD控制器对平面五杆机构进行控制，通过四阶龙格—库塔法得到五杆机构在该控制器控制下的响应。通过仿真分析得到了五杆机构的实际运动和两构件的最大输入力矩。 4．采用面向控制的集成设计方法来进行面向控制的混合驱动五杆机构设计，建立了集成设计的优化设计模型，利用微分进化算法对该优化模型进行优化。并将所得的机构与采用顺序设计、解耦并势能不变结构条件下的顺序设计得到的机构进行比较，证明了通过面向控制的集成设计能达到减小运动误差和控制力矩的目的，同时提高机构与控制器整个系统的品质。
张珂[2]2005年在《混合驱动连杆机构系统动力学建模、优化与控制研究》文中研究指明随着科学技术的飞速发展和人类社会的不断进步,人们对现代机构的性能提出了越来越高的要求,尤其是要求机构能具有良好的柔性。混合驱动机构是一种具有良好柔性输出的新型机构,同时采用实时不可控电机(主电机)和实时可控电机(辅助电机)作为其动力源,两种类型的输入运动通过一个多自由度闭环机构合成后产生所需要的输出运动。它是现代机构学理论、传感器技术、微电子学、现代控制理论、计算机和信息科学以及人工智能等多学科交叉融合的产物,是现代机构学发展的重要方向之一。本文在传统机构学理论、现代动力学分析理论、现代控制理论、现代优化理论、统计分析和先进复合材料力学的基础上,以混合驱动五杆机构系统为例,对混合驱动连杆机构系统进行了系统研究。研究成果适用于其它类型混合驱动连杆机构系统。 混合驱动连杆机构系统是一种多自由度、多构件的复杂机构,本文首次采用键合图法对混合驱动五杆机构进行了动力学分析。键合图法以简明的图形方式揭示了机构运动学及动力学特性,可使人们直观地理解组成机构不同类型的元件对机构动态性能的作用,提高了对机构内涵理解的洞察力。机构动力学方程具有规则化的特点,便于计算机自动生成,无需进行机构加速度分析。仿真结果表明,与传统的动力学分析方法相比,大大地提高了动力学分析的效率和可靠性。 混合驱动连杆机构系统是一种高度非线性、强耦合的柔性可控机构,只有从系统的观点出发,才能揭示其自身的真实规律。本文首次提出了基于功率键合图和功率拓扑键图建立混合驱动五杆机构系统全局耦合动力学模型,用统一的方式处理多能域并存的混合驱动系统,以图形方式直观地揭示机构系统不同能域子系统间的相互作用关系,以及各杆件间的运动约束关系、作用力(力矩)间的相互作用关系。仿真结果表明所建立的系统全局动力学模型是正确有效的。与孤立研究各子系统相比,全局耦合动力学模型能更真实地描述系统动力学特性及各子系统之间的耦合带来的影响。 将现代混沌优化算法与MATLAB6.5程序语言的优化工具箱有机地结合,提出了机构非线性优化设计问题的混合优化算法,具有较好的全局搜索能力。在运动学和动力学分析的基础上,基于复合优化算法对混合驱动五杆机构的结构参数进行了运动学、动力学和多目标优化设计。优化结果表明,以运动学、动力学、机构构件尺度敏感性等为目标函数的多目标优化设计,可以使机构获得更佳的综
訾斌, 曹建斌, 钱森[3]2012年在《混合驱动柔索并联机器人系统集成设计》文中研究表明混合驱动柔索并联机器人是机电高度集成系统,其动态性能由结构系统和控制系统共同决定。为了提高混合驱动柔索并联机器人整体系统的动态性能,并考虑到其结构系统和控制系统的密切耦合关系,对混合驱动柔索并联机器人的结构系统与控制系统进行集成优化设计。描述混合驱动柔索并联机器人系统的结构和运动过程;根据闭环矢量原理和机构的几何特征,对混合驱动柔索并联机器人进行运动学分析;基于Lagrange方程,推导出混合驱动柔索并联机器人的动力学模型;讨论优化过程中涉及的设计变量、约束方程表达式和目标函数,建立混合驱动柔索并联机器人系统的集成优化模型。结合实例,对混合驱动柔索并联机器人系统进行分离优化设计和集成优化设计的数值仿真比较研究,结果表明,集成设计方法能够使系统获得更好的动态性能。
汤俊[4]2017年在《混合驱动机电一体化系统建模与控制》文中研究指明混合驱动机电一体化系统是一种半柔性系统。它采用两种不同类型的电机驱动,即普通的常速电机和伺服电机,通过混合驱动机构进行耦合,由终端执行器实现半柔性输出运动。混合驱动系统介于传统的刚性机器和现代化的全柔性机器之间,它弥补了传统刚性机器柔性不足和全柔性机器造价昂贵的特点。因此对这类半柔性机器进行研究具有重要的理论意义和应用价值。混合驱动系统到目前经历了二十多年的发展,在其构型及运动规律的分析和综合上已有大量的学者进行了研究。由于常速电机速度波动且不可控的问题,目前在对混合驱动系统的控制上的研究并不多。本文首先探讨了满足混合驱动的五杆机构构型、可动性、及其工作空间分析;设计了一个双曲柄五杆机构,并且建立了机构的叁维模型,为后面的控制系统仿真分析提供了结构参数。正运动学分析及逆运动学分析是研究五杆机构动力学及控制系统的理论基础。本文用封闭矢量法建立了五杆机构的运动学模型,分析了终端轨迹与各个杆件之间的运动关系。利用拉格朗日方程推导出五杆机构的动力学模型,并且写成类似于开链机械手动力学方程的形式,便于控制器的设计和控制参数的选择;简单分析了电机的动力学模型,与五杆机构的动力学模型结合,建立了完整的混合驱动机电一体化系统的模型,为实现其控制打下了基础。轨迹跟踪精度和轮廓跟踪精度是衡量混合驱动系统控制器的重要指标。以往针对混合驱动系统开发的控制器都没有彻底解决常速电机不可控的问题。本文首次采用自适应比例微分滑模控制,通过补偿常速电机的速度波动,从而提升终端执行器的轨迹性能,并且对控制器进行了稳定性分析。选用了直线轨迹和圆弧轨迹进行仿真分析,并与比例微分滑模控制和纯比例微分控制进行了对比,分析了不同控制参数对控制器性能的影响,及在初始误差情况下的控制性能,验证了自适应比例微分滑模控制具有优越的轨迹跟踪控制性能。最后介绍了位置域控制的概念及优点,提出了位置域的自适应比例微分滑模控制,并应用于混合驱动系统的轮廓跟踪控制,这一控制器同样选用直线轮廓和圆弧轮廓进行仿真分析。结果表明位置域自适应比例微分滑模控制能极大的提升混合驱动系统的轮廓跟踪精度,并且控制器具有很好的鲁棒性和快速响应能力。
谢进, 魏宏, 阎开印, 陈永[5]2007年在《混合驱动连杆机构的串行和并行设计》文中研究指明混合驱动机构的设计包括运动设计、动力设计和控制设计叁个方面。一方面,这些设计相互影响和关联,具有非常强的耦合关系。另一方面,各个设计方面的设计准则、设计目标却有所差别。串行设计是先进行机构的运动设计、动力设计,最后再进行控制设计。并行设计是将机构的运动设计、动力设计和控制设计一并考虑进行设计。对于混合驱动平面五杆机构,分别采用串行设计和并行设计等不同的设计策略,尽管设计所采用的优化方法都是微分进化方法,但是设计结果却有所不同。串行设计可以达到较高的机构运动要求,但控制系统的设计比较困难,而且控制效果不好。并行设计得到的设计结果是机构的运动控制效果得以改善,但是设计的数学模型变得复杂,机构的运动精度有所下降。
陈正洪[6]2008年在《混合驱动两自由度并联机构动力学与控制研究》文中进行了进一步梳理混合驱动机构采用两种不同类型的驱动电机,即普通常速电机和伺服电机驱动,通过一个两自由度机构实现末端执行器的柔性输出。它的出现在传统非柔性机器和先进柔性机器人之间搭建了一个中间平台。既具有机器人的柔性,又具有传统非柔性机器大功率低成本的优点,因此对于混合驱动机构的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文对混合驱动两自由度并联机构进行了系统的理论研究,综述了混合驱动机构的特点及发展状况,分析了混合驱动机构控制系统设计的研究现状,阐述了智能控制技术在并联机构控制中的研究与应用。研究内容主要包括:混合驱动机构正运动学和逆运动学分析、机电耦合动力学模型建立、混合驱动机构控制系统设计、双伺服驱动并联机构的复合智能控制研究及两自由度冗余驱动并联机构轨迹跟踪实验研究。混合驱动机构的正运动学分析和逆运动学分析是研究混合驱动机构动力学模型和控制系统设计的理论基础。为了研究机构运动过程中各个杆件及电机之间的运动关系,必须建立运动学模型。利用雅可比矩阵,分析了机构各参数对混合驱动机构末端执行器速度特性的影响。通过比较结构参数、可调参数和可控参数对机构末端速度特性影响的主次关系,找出了其中对速度影响较大的敏感参数。利用这些结论,可以减少机构综合优化设计的盲目性,提高优化效率。逆运动学求解的过程就是在给定末端执行器的轨迹和常速电机的恒定速度条件下,确定伺服电机运动规律的过程。在建立逆运动学模型的过程中,必须把常速电机是匀速运动的这个特性考虑其中。因此建立的逆运动学模型包含了时间要素,这区别于单纯机构学研究中的路径实现问题。动力学模型是进行动力学分析与综合的基础,建立动力学模型是进行机构动力性能评价和实时控制的必要条件。利用拉格朗日方程推导出机械结构动力学模型,动力学方程利用独立输入角度来表示且写成类似于开链机械手动力学方程的形式,不仅便于分析动力学模型,更方便了控制器的选择和控制参数的确定。通过力矩传递把机械结构动力学模型和电机动力学模型联立,建立了包含电机特性的机电系统耦合动力学模型。通过对混合驱动机构的实验和仿真结果对比研究,可以得出建立的动力学模型是正确的,为混合驱动机构轨迹跟踪控制打下了基础。由于混合驱动机构动力学模型的复杂性和常速电机的不可控性,针对该类机构进行的控制系统设计研究是个难题。在对混合驱动机构控制系统进行研究时,常速电机的特性不是用伺服电机来模拟的,而是考虑一个真实的常速电机特性,即常速电机存在速度波动,同时力矩不可控。动力学模型中两个驱动杆之间存在着耦合性,常速电机速度波动引起的误差最终将导致末端执行器的轨迹跟踪出现偏差。因此实现两个电机的角位移的精确跟踪对于末端执行器的轨迹跟踪至关重要。本文根据常速电机速度波动和不可控特点,设计了适合混合驱动机构的控制系统,同时采用滑模变结构控制实现了对混合驱动机构末端执行器轨迹的精确跟踪。采用新的迭代控制方法可以把常速电机的速度波动转移到伺服电机的轨迹上,利用伺服电机可控的特点重新对伺服电机的理想运动轨迹进行调整,这样就补偿了由常速电机速度波动给末端执行器轨迹带来的误差。通过控制伺服电机的运动轨迹,实现了对末端执行器理想轨迹的跟踪,最大限度减少常速电机的速度波动带来的不利影响。研究了双伺服驱动并联机构的复合智能控制策略,有效克服了系统的非线性和高耦合性。随着并联机构应用领域的扩展,对其控制性能提出了越来越高的要求。由于经典控制方法和现代控制方法存在许多不足,智能控制方法被引入了双伺服驱动并联机构控制系统中。各种控制方法都有其优势,但也存在一定的局限性,因此将智能控制方法和传统控制方法复合在一起,可以取长补短。本文将神经网络控制与传统PID控制及滑模变结构控制结合,形成复合型智能控制,即基于RBF神经网络辨识的自适应PID控制和神经网络可调增益滑模控制。研究发现,该复合智能控制对于双伺服驱动并联机构系统的任意轨迹跟踪具有较高的控制精度和鲁棒性。对两自由度冗余驱动并联机构进行了动态性能和轨迹跟踪实验研究。分析了它的动态特性,通过调整控制参数,实现了冗余驱动并联机构在平面内的高精度轨迹跟踪。
杨金堂[7]2009年在《受控五杆机构实现轨迹理论与实验研究》文中研究指明传统机构学正在对其研究对象、内容、理论和方法等诸多方面发生深刻的变革。1990年以来,中国机构学经历了一个较大发展。其中受控机构(亦称可控机构或者混合输入机构或者混合驱动机构)分析与综合及其应用研究是10年来主要成果之一。本文在借鉴国内外相关研究成果的基础上,以平面五杆机构的型综合、分析与综合、结构参数和运动参数误差分布及对实现轨迹的影响、控制系统为研究对象,考虑五杆机构的运动学动力学特性,将新型智能计算方法与新设计理论引入其中,为平面五杆机构轨迹综合与创新设计提供了一种新的研究途径。首先,提出了两种五杆机构型综合的新方法:“基于两个类Ⅱ级杆组构成法”和“基于两连架杆+Ⅱ级杆组构成法”。提出了全移动副的平面机构自由度计算方法,通过当前热门研究的四种常用型的研究和特征分析,并运用杆组理论提出的两种型综合方法,得出13种基本型。并分析了这13种基本型在实现轨迹时的演化规律,分析了五杆机构实现轨迹时分析和综合的特点,为基于特征值的五杆机构分析与综合奠定了理论基础。其次,提出了两种五杆机构精确实现多点轨迹的两步尺度综合的新方法:“轨迹实现模型+补偿控制模型”的两步综合法和“轨迹实现模型+圆拟合模型”两步综合法。提出了“视角”“轨迹区内”“轨迹区外”的概念,运用该概念能够减少优化的计算模型;建立实现多点轨迹五杆机构全域最优设计模型:“轨迹实现模型+补偿控制模型”,考虑了五杆机构的运动学动力学特性,独立的设计变量为6个比传统的要少,但模型数较多;构造的适应度函数保证了满足约束条件的个体的适应度值优于不满足的个体,且增强了优化的吸引域,采用改进遗传算法获取全域最优解;建立了受控机构的“轨迹实现模型+圆拟合模型”优化模型,运用广义逆求解,实例计算表明:受控机构必须考虑受控原动件的机械特性,必须选择合适的控制策略和方法。再次,提出了刚性受控五杆机构结构参数误差合理分布方法;运用小波分析与变换,提高了补偿运动的低频特性。通过分析结构参数与运动参数误差对实现轨迹误差的影响,建立了全微分方程组,运用矩阵论的范数法,提出了刚性受控五杆机构结构参数误差合理分布方法,可以减少补偿运动不必要的调整,从而提高了五杆机构实现轨迹的精度和五杆机构的实用性;通过小波多分辨分析方法对可控五杆机构的补偿运动曲线进行分析,不仅有利于了解补偿运动在各频率段的分布,而且在满足要求的前提下使特征数据点大为减少,并且消除了补偿运动高频部分,优化了机构的运动学和动力特性,为机构动力学分析提供了一种新的方法。最后,开发了受控五杆机构的计算仿真和控制系统软件。针对五杆机构进行力学分析,运用“矩阵法”建立五杆机构力学模型,研制开发本文的全部计算与仿真模型及软件,研制开发五杆机构力的控制硬件系统及其软件,完成实验台研制;为五杆机构的设计理论验证和应用研究提供强有力的支持。
李迪敏[8]2014年在《基于公理化设计的实验系统设计—混合驱动机械》文中提出混合驱动系统由普通常速电机和伺服电机共同驱动,通过一个两自由度机构实现末端执行器的柔性输出。对混合驱动机构的研究将有重要的理论意义和实用价值,因为其既具有机器人的柔性,又具有传统非柔性机器大功率低成本的优点。由于混合驱动机构动力学模型的复杂性和常速电机的不可控性,针对该类机构的设计研究是个难题。虽然前人提出了众多理论和方案,但是理论需要实践来检验,因此需要完善的实验系统以支持相关的研究。实验系统是硬件平台和软件系统的集成。硬件为实验者提供实验平台,而软件则为实验者提供信息平台。本文着眼于混合驱动实验系统的设计,通过公理设计对实验硬件平台进行概念设计。在运动学和动力学理论基础上对混合驱动五杆机构进行行为分析,作为理论基础。将公理设计应用于实验系统的软件设计,满足实验者对工作空间,全局条件指标,末端轨迹和各从动关节角四个方面的信息需求。为支持动力学方面优化实验,分析了在振动力平衡和动力学解耦条件下的质量分布调整方案。在此基础上,设计程序,实现不同实验方案下的动态性能反馈,一方面为实验者提供参数化下的实验预分析平台,另一方面也可以作为具体实验的对照。
尚杰[9]2018年在《混合驱动杆机构优化及控制仿真》文中研究说明近年来,混合驱动可控机构是目前机构学研究的前沿问题。提出了采用混合驱动六杆装置创建一种柔性化的运动模式。混合驱动六杆装置的主要构成包括常规定速电机、连杆机构、可控伺服电机等。其中,系统驱动力主要由常规定速电机提供,而辅助动力来源以及调节功能具体由可控伺服电机实现,连杆机构则是上述两个动力装置的连接机构,通过动力混合实现所需的运动输出形式。六杆装置具体由一个调节杆和五个连杆构成,能够在实现连杆调节功能的同时实现了对伺服电机的部分控制。此类机构形式不仅能够充分满足预期运动需求,同时表现出柔性好、结构简单、适用性好等优势。混合驱动杆机构研究的主要工作是针对五杆机构的局限性问题,通过优化和改进提出一个全新的六杆机构实现混合动力调节和控制;首先是在对六杆机构装置运动学规律进行研究分析的基础上,运用回路矢量法构建数学模型对混合驱动六杆的正运动学、逆运动学展开研究分析,对六杆机构的运动学特征进行把握,并确定最佳设计参数。在动力学分析的基础上,构建拉格朗日数学模型研究分析六杆机构的运动性质。在综合考虑摩擦力、外部因素、系统参数的基础上构建动力学方程,系统性研究分析该装置的运动特性,为控制方案的设计提供数据支持,从而完成直流电动机模型的构建和分析工作。在肯定六杆机构的非线性、时变性与强耦合性等特征的基础上,借助滑模变结构控制方法对机构的控制策略进行研究分析,重点就抖振问题的抑制模式进行研究分析,并借助仿真工具对机构开展仿真分析,明确设计的可行性与有效性,为实践工作提供科学指导。
王湘[10]2005年在《弹性五杆机构机电耦合动力学分析与研究》文中研究表明混合驱动机构的基本思想是采用双电机作为其动力源,输入运动通过两自由度机构合成后产生所需要的多组输出运动规律,以满足不同的要求。然而目前此类系统完全动力分析研究大都是以电机的转子无任何偏心和振动为前提的,是把电机气隙看作稳定均匀的,引入的机电耦合关系过于简单,而电机转子的实际偏心将导致电机转子复杂的横振、扭振行为;因此,为研究电磁参数对机构的动态性能的影响,须建立反映电磁状态和机构运行状态的机电耦联动力学模型。本文以双伺服电机驱动五杆机构系统为对象进行了以下研究。 首先对弹性五杆机构进行有限元分析,通过机构梁单元节点位移间的关系,建立起弹性五杆机构单元质量矩阵与刚度矩阵以及弹性动力学模型。 其次,针对交流伺服电机转子偏心时不均匀气隙磁场,建立以电机横振、扭振为节点位移的有限电机单元;分析其实际运行状态的机电耦合关系,建立其磁场能量函数,从而得到电机单元在其单元坐标系下的质量矩阵与刚度矩阵。 然后应用Lagrange-Maxwell方程建立包括电机电磁参数和机构结构参数的系统时变非线性动态方程。所建立的系统模型反映了系统动态特性参数与铰链弹性五杆机构结构参数、电机电磁参数之间的关系。 最后利用Matlab软件对双伺服电机驱动五杆机构系统动力学模型进行了仿真计算,仿真所得结论对进一步研究两自由度五杆机构系统的运动稳定性、多重共振等动态性能及综合参数优化是一个有益的探索,对探讨高速轻载机电系统的异常工况,设计动态特性优良的新型机电产品具有一定的现实意义。
参考文献：
[1]. 混合驱动五杆机构结构和控制的集成设计研究[D]. 魏宏. 西南交通大学. 2004
[2]. 混合驱动连杆机构系统动力学建模、优化与控制研究[D]. 张珂. 东华大学. 2005
[3]. 混合驱动柔索并联机器人系统集成设计[J]. 訾斌, 曹建斌, 钱森. 机械工程学报. 2012
[4]. 混合驱动机电一体化系统建模与控制[D]. 汤俊. 湖南科技大学. 2017
[5]. 混合驱动连杆机构的串行和并行设计[J]. 谢进, 魏宏, 阎开印, 陈永. 机械工程学报. 2007
[6]. 混合驱动两自由度并联机构动力学与控制研究[D]. 陈正洪. 山东大学. 2008
[7]. 受控五杆机构实现轨迹理论与实验研究[D]. 杨金堂. 武汉科技大学. 2009
[8]. 基于公理化设计的实验系统设计—混合驱动机械[D]. 李迪敏. 华东理工大学. 2014
[9]. 混合驱动杆机构优化及控制仿真[D]. 尚杰. 华北理工大学. 2018
[10]. 弹性五杆机构机电耦合动力学分析与研究[D]. 王湘. 广西大学. 2005