六自由度并联机器人简介

文献阅读报告：六自由度并联机器人简介指导老师：艾力·玉苏甫报告人：胡开宇目录题目发展与应用原理伺服系统建模我们的设备题目南仁东.中国科学G辑.物理学力学天文学,2005,35(5).段艳斌等.机械设计与制造.2013,(8).题目比较项目并联机器人串联机器人工作空间小大刚度高低奇异性问题很多不多负载能力高低惯量小大结构复杂简单位置精度误差平均化误差积累速度较高较低加速度较高较低承载力多杆积累单杆限制位置反解容易困难位置正解困难容易控制复杂简单YiuY.K.Ph.D.Thesis.HongKong:TheHongKongUniversityofScienceandTechnology.2002发展与应用并联机器人简介并联机构的研究最早可以追溯到1813年，著名数学家A.Cauchy对结构相连的八面体运动的可能性产生了兴趣并进行了研究；十九世纪末工程师已经开始对空间机构进行研究了；1931年，Gwinnett在其专利中提出了一种并联机构的娱乐装置；1940年，Pollard在其专利中提出了一种空间工业并联机构，用于汽车的喷漆1949年Gough采用并联机构制作了轮胎检测装置；发展与应用直到1962年才出现相关的文字报道；1965年，Stewart在他的一篇文章提出了一种6自由度的并联机构，并建议可以将该机构用于飞行器、受人类控制的宇宙飞船，还可以作为新型机床的设计基础；J.Tindale建议将该形式的机构用于矿山开采机构和海上钻井平台；D.Stewart.aplatformwithsixdegreesoffreedom[J].procinstnmechengrs.Vol.180,No.15,1965发展与应用1978年，澳大利亚著名机构学家Hunt提出可以应用6自由度的Stweart平台机构作为机器手的思想；1979年Mccallino等人首次设计出了在小型计算机控制下，在精密组装中完成校准任务的并联机器人，从而真正拉开了并联机器人研究的序幕，越来越多的学者投入到研究之中；到80年代末期特别是90年代以来，并联机器人广为注意，并成为了新的热点，许多大型会议都设多个专题进行讨论，国际上名的学者有Warldron，Roth，Gosselin，Fenton，Merlet，Angele等。王海东.并联机器人机构构型与性能分析[D].秦皇岛：燕山大学，2001.张志涛.Stewart类六自由度并联机构的研制[D].天津：天津大学，2009.发展与应用对于传统的Stewart并联机构，从结构上看,运动的动平台(platform)通过六个运动链(chain)或分支(leg)与固定平台(base)相联接,每个分支与动平台的联接为球铰或虎克铰,与定平台的联接为虎克铰或球铰。从理论上讲这六个分支可以任意摆放,每个分支由惟一的驱动控制器驱动,运动平台的运动是通过这六个分支的可驱动杆件的伸缩来实现的,它是一种复杂的六自由度相协调的空间运动。通常也称之为6-6型Stewart平台。通过引入复合球铰，可以得到6-3型或3-3型Stewart平台机构。王海东.并联机器人机构构型与性能分析[D].秦皇岛：燕山大学，2001.张志涛.Stewart类六自由度并联机构的研制[D].天津：天津大学，2009.候凯翔.六自由度动感体验设备及控制系统开发[D].长春：吉林大学，2011.发展与应用应用领域训练模拟器/驾驶模拟器训练用飞行模拟器具有节能、经济、安全、不受场地和气候条件限制等优点。目前已成为各类飞行员训练必备工具。Stewart在1965年首次提出把六自由度并联机构作为飞行模拟器，开此应用的先河。目前，国际上有大约70家公司生产基于并联机构的各种运动模拟器。并联平台机构在军事方面也得到了应用，将平台装于坦克或军舰上，用它来模拟仿真路面谱和海面谱，以使目标的瞄准设计过程中不受这些因素的干扰，达到准确击中目标的目的。发展与应用检测产品在模拟的反复冲击、振动下的运行可靠性Gough在1948年提出用一种关节连接的机器来检测轮胎。轮胎检测是将轮胎安装在试验台轮毂上，施加载荷并让其高速旋转，通过测定轮胎旋转时所受的径向、侧向和纵向滚动阻力的变化值。并联机构的灵活性和高刚度具有很大的优势。目前，Stewart平台仍广泛用于轮胎均匀性检测和动平衡实验。李仕华.几种空间少自由度并联机器人机构分析与综合的理论研究[D].秦皇岛：燕山大学，2004.发展与应用娱乐运动模拟平台运动仿真就是因为能给人以动感刺激才逐步进入娱乐业的。运动的并联平台配以视景、音响以及触觉等。如美国和日本的“星球航行”、“宇宙航行”等娱乐设施均采用并联机构平台。在中国我们也有比如“动感电影”，又叫“模拟电影系统”候凯翔.六自由度动感体验设备及控制系统开发[D].长春：吉林大学，2011.李仕华.几种空间少自由度并联机器人机构分析与综合的理论研究[D].秦皇岛：燕山大学，2004发展与应用并联机床虚拟轴车床是并联机构在工程应用领域最成功的范例,与传统数控机床相比较,它具有传动链短、结构简单、制造方便、刚性好、重量轻、速度快、切削效率高、精度高、成本低等优点,容易实现六轴联动,因而能加工复杂的三维曲面。1994年在芝加哥国际机床博览会上，美国Giddings&Lewis公司和英国Geodetic公司首次展出了称为VARIAX和Hexapods的虚拟轴机床，被认为是二十世纪以来机床结构的最大变革与创新。1997年在德国汉诺威国际机床博览会(EMO97)和1999年巴黎国际机床博览会(EMO99)上，又推出了多种并联机床样机。李仕华.几种空间少自由度并联机器人机构分析与综合的理论研究[D].秦皇岛：燕山大学，2004发展与应用我国第一台虚拟轴机床原型样机VAMTIY已由清华大学和天津大学联合开发；天津大学和天津第一机床总厂合作于1999年研制了三坐标并联机床商品化样机LINAPOD；哈尔滨工业大学燕山大学李仕华.几种空间少自由度并联机器人机构分析与综合的理论研究[D].秦皇岛：燕山大学，2004.发展与应用鲁尔大学天文研究所1.5m口径光学望远镜李仕华.几种空间少自由度并联机器人机构分析与综合的理论研究[D].秦皇岛：燕山大学，2004.发展与应用原理并联机器人的自由度计算公式为：式中：σ表示机构的自由度，m表示活动构件总数，n表示运动副件的个数，pi表示第i个运动副的限制自由度数。虎克铰链的限制自由度数为4，球铰链的限制自由度数为3，滑动缸体的限制自由度数为5。传统的六自由度并联机器人活动构件的总数一般为13个。综上，六自由度并联机器人的自由度为：6*13-(6*3+6*4+6*5)=6张志涛.Stewart类六自由度并联机构的研制[D].天津：天津大学，2009.原理球铰链虎克铰链缸体原理位置反解：初始位置时，静坐标系O-XYZ与参考坐标系完全重合，将动坐标依次绕X、Y、Z轴分别旋转а、β、γ角，所得到的旋转矩阵为：式中：cа=cosа，sа=sinа候凯翔.六自由度动感体验设备及控制系统开发[D].长春：吉林大学，2011.原理然后将动坐标系分别沿着参考坐标系X、Y、Z轴分别平移a、b、c，齐次转换矩阵为：综上，可得到动坐标系到参考坐标系的转换矩阵为：候凯翔.六自由度动感体验设备及控制系统开发[D].长春：吉林大学，2011.原理位置反解就是根据运动平台的位姿反求出各个驱动缸的伸长量，要实现这一求解过程，首先需要对六自由度并联机器人参考坐标系和动坐标系。候凯翔.六自由度动感体验设备及控制系统开发[D].长春：吉林大学，2011.原理上下平台各铰点分别在参考坐标系和动坐标系中的坐标为：原理原理伺服系统建模六自由度并联机器人伺服系统为电流转速位置三闭环结构，常用的调整量是位置，即杆件的位移大小。仿真模型的建立需要伺服系统的数学模型，电机的模型是核心内容。应用于六自由度并联机器人中的电机为交流永磁同步电机，简称PMSM。本文的PMSM模型建立在d-q坐标系下。PMSM的数学模型有三部分：电压、输出转矩、机械运动。由于篇幅限制，我们无法详细叙述d-q坐标系与PMSM模型的推导过程。为了便于仿真，PMSM的数学模型可以写成如下形式：其中电压方程可表示为：（1）（2）伺服系统建模输出转矩方程可表示为：机械运动方程可表示为：其中id、iq是电枢电流d-q坐标系下的分量，Ld、Lq表示定子在d-q坐标系下的等效电感，ψf表示永磁体基波磁链，ud、uq表示d-q坐标系下定子电枢电压分量，ψd、ψq表示d-q坐标系下的定子磁链，Ra表示定子绕组的电阻，p=d/dt表示微分算子，pn表示PMSM的极对数，TL表示负载转矩，JM表示电机转子转动惯量，JL表示负载到电机侧的转动惯量，B表示摩擦系数，ωm表示机械角速度，且有：其中ωr表示d-q坐标系的旋转角速度。（3）（4）（5）（6）伺服系统建模PMSM不能简单依靠调节电枢电流来实现电磁转矩的控制，工程上通常采用矢量变换控制法对其进行控制。主要的矢量控制方法有id=0控制。当用id=0矢量控制时，转子磁链的方向固定，定子的电流与转子磁通量彼此不耦合，调控更方便且被控速度范围更大，由于本实验六自由度并联机器人的PMSM数学模型是在d-q坐标系下创建的，采用id=0矢量控制法更合适，此方法是通过对轴向电流解耦，可使定子电流中只存在交轴方向的分量。若id=0，则PMSM的电压方程可改写为：其中：（7）表示电机的转矩系数。（8）（9）伺服系统建模由式(1)和式(7)可得：假设La=Ld=Lq，根据式(10)可以得到PMSM在id=0情况下的状态方程：（10）（11）在零初始条件下，对式(13)进行拉普拉斯变换，得到以电压uq为输入，转子速度为输出的交流永磁同步电机控制原理图：伺服系统建模理论上反电动势系数Ku=pnLaif，但是实际系统中电机电枢电流的调节过程比电枢的反电动势变化快，反电动势对电流环来说只是一个扰动作用，在电流调节器的调节过程中可以认为反电动势不变，因此反电动势负反馈系数Ku为零。伺服系统仿真伺服系统建模&仿真伺服系统建模&仿真伺服系统建模&仿真eecNBNMNSZPSPMPBNBNBNBNBNBNMZZNMNBNBNBNBNMZZNSNMNMNMNMZPSPSZNMNMNSZPSPMPMPSNSNSZPMPMPMPMPMZZPMPBPBPBPBPBZZPMPBPBPBPBif(eisNB)and(ecisPB)then(output1isZ)；if(eisNM)and(ecisNB)then(output1isNB)if(eisNM)and(ecisNM)then(output1isNB)；if(eisNM)and(ecisNS)then(output1isNB)if(eisNM)and(ecisZ)then(output1isNB)；if(eisNM)and(ecisPS)then(output1isNM)if(eisNM)and(ecisPM)then(output1isZ)；if(eisNM)and(ecisPB)then(output1isZ)if(eisNS)and(ecisNB)then(output1isNM)；if(eisNS)and(ecisNM)then(output1isNM)Gain的值为4，Gain1的值为2.692，Gain2的值为0.468伺服系统建模&仿真00.511.522.533.544.5500.20.40.60.811.21.4t/sresponseofdisplacement/mmStepresponsetrackingcurveoffuzzycontrolleroutputinput00.511.522.533.544.55-1.5-1-0.500.511.5t/sresponseofdisplacement/mmSinewavetrackingcurveoffuzzycontrolleroutputinput00.511.522.533.544.55-0.200.20.40.60.811.2t/sre