二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究.pdf

所需积分/C币:10 2019-10-22 22:00:30 567KB PDF
收藏 收藏
举报

二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究pdf,二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究
第26卷第1期 李占贤等:二平动自由度高速轻型并联机槭手控制技术研究 65 ( ma-mge2)G +(I-IA B1- TAg)0B =0 台等效质量的页献dA了J1.显见,后者是机构位 (5)形的时变函数矩阵为对称结构的非对角阵,其 式中:T=()「为关节转矩; 非对角元构成各主动关节转矩之间的耦合,耦合作 n为动平台加速度:e2=(01)t; 用的大小直接影响着控制系统的稳定性 m为动平台质量,包括动半台手爪、负载的 取 Dia mond机构的作业空间为宽b-600mm 质量及从动臂等效到动平台的质量 高h-150mm的矩形,矩形中心距点O距离为 连架从动臂支架和从动臂等效到B1后关于主动耸表60mm,见图1机构的尺度和惯性参数见表1和 ⅠA为电机转子减速器联轴器、主动臂以及 表1几何参数 单位:m 转轴的转动惯量 Table 1 Geometrical para meters Unit: m 2-m8(cs1co2)为主动臂关于其 2 转轴的重力矩;mnA为质径积 0.24 0.5 0.057 将4a1=J,a=J1(4B-4f(B)代入式 (5),得到系统的道动力学方程为 表2惯贯性参数 Table 2 Inertial parameters [=IA(E2+ n J)4-ml -f(0)+E mi kgj IA(kgm) 2 0.29 式中,z2=e2,n 由式(6)知,关节转 矩由惯性项离心与哥氏项以及重力项组成.考虑到 根据表中给出的参数和式(7)可计算出在x 惯性项在峰佰力矩中占有主要成分故令 x/b、y=(y+1/b归一的工作空间中当1A=1kg (7)m和m=m/=0.5时的惯量矩阵L各元素,见 式中,L1为系统在关节空间的惯量矩阵由式(7)可图3.可见在工作空间内非对角元惯量贡献较小,惯 见:折算到主动关节上的等效负载惯量包含以下两 量波动也小.同时山于关节与电机之间采用较大减 部分:(1)主动臂自身的等效负载惯量1A;(2)动平速比的减速器联接,进一步减小负载变化的作用,可 甘丢佐芏苦龃的增玄然 1. Iy 1(2.2) 05 0.1 01 01 5 05 05 0 05 图3主动关节等效负载惯量(单位:kg·m2) Fig 3 The equivale nt mome nt of inertia on activc joints( unit: kg.") 在设计控制系统时可用惯量矩阵转换到电机端3控制系统设计及控制参数整定( Control 的对角元全域均值计算电机等效负载惯量,即 system design and control parameters de I1=「IA+ FAmen(厂T1(i,i)1/2 termining) (8) 由上述分析可知, Diamond并联机械手运动臂 式中,j为减速器减速比(j=16)计算结果=7.为轻质细杆结构,在工作空间内负载波动及轴间耦 73×10kg·m2,L最人值为8.94×10kg·m,最小合作用小,因此,这里将系统近似看作定常系统,采 值为6.59×10“kg°m2 用单关节误差反馈控制械手运动.系统采用西门 66 机署人 2004年1月 子 SIMATIC3152D(PU单元作为控制主机,负责驱动器驱动机械手运动,实现机械手的高速运动和 工作空间轨迹规划、插补计算、位置和速度逆解讣位置控制.控制系统框图如图4所示,系统采用位 算逻辑控制及各单元之间通讯等.用FM572位置遮度和电流3个反馈闭环,具有较大的伺服刚 控单元做关节PV插补计算和电机运动控制,西门度,可减小系统非线性扰动的影响 子1FT5044无刷直流电机及 SIMODRIⅤE611A电机 0、(s) K K( RL+I K⑧ 4控制系统框图 Fig 4 Flow chart cf control syste 表;1FT5044伺服电机及其驱动系统参数 阶跃响应曲线获得开环增益K延迟时问L和空闲 Table3 para meters of 1Ft5044 servomotor 时间T,见图5.然后,根据CHR算法计算Kp和T; and its driving system 电流环增益K1 2.5 电村 枢电感L(mH 电流反馈系数K 1.0 转矩系数Kr (、·m/A 定子绕组电阻R 9 感应旦动势常数K l 负载惯量 测速反馈系数a 0.0318 图5比例积分控制参数整定 3.1速度控制 Fig. 5 PI control para mctcrs determining 为保证系统位置控制精度和良好的跟踪性能, 速度环开环传递函数为二阶系统 要求速度环具有足够高的增益,但过大的增益会引 KiKi a' 起速度超调,其响应特性甚至可能变成振荡,达到电 J 机转速要求反而需要较长的吋间,且输出与输入间 2 Rh Ki: k KrKA 存在较大的偏差.为此,速度环节采用比例积分控 制,以改善系统的瞬态响应特性和稳定性,消除稳态 42l7 s2+847s+58354 偏差.速度环节设计的关键在于通过实验或仿真计 通过仿真计算可得各整定参数见表4 算获得合适的增益和积分吋间参数 ZN算法是PID参数整定的基本方法,考虑到机 表4速度P控’整定参数 构运动过程中存在非线性扰动,在此采用CHR Table 4 Velocity PI control para meters ( Chierr hrones- res wick)扰动抑制算法计算比例系数 0.6T LK K和积分时间常数r12,它是ZN算法的一种改 0.0482 0.0013 0.0084 82.9 0.0084 进,允许带有较大的阻尼,确保在没有超调量的情况 下达到最快速响应.首先,根据速度廾坯传递函数的 第26卷第1期 李占贤等:二平动自由度高速轻型并联机槭手控制技术研究 67 吕2位置控制 过高,输入信号的变化会产生冲击因此在确定位置 作为机槭手连续轨迹龈踪控彻,位萓控制不希比例增益K时,必须考虑操作臂的结构刚性和共振 望出现超调和振荡,以避免造成位置控制精度下降 频率为了不至于激起结构振荡和系统共振,文献 因此位置控制器采用比例控制,位置环增益κ为「6提岀闭环系统固有频率必须限制在机构共 速度与位置偏差之比 振频率ω的一半之内即 K .-b (9) 由于伺服电机电枢电感系数和PI控制环的积分时 显然,输出速度一定时,K越大,位置跟随误差 间都很小,在此忽略电感和积分作用,由图4得出位 越小、系统响应速度越高,但K过大时系统灵敏度 置闭环传递函数 G(s) KsKrKpi Ke J(2 Rp h t Kpi k)s+(KrKe+ K krkEaT)s+ kKKrkpi $+25@, 5+ an 式中,g为系统的阻尼比,4为控制系统的固有频误差调整滤波时间常数和前馈系数,直全跟随误差 率 最小.在取电机正转的情沉下,当跟随误差为正时 KKE+ K,KrKuiaT 说明时间常数或影响系数过小跟随误差为负时,说 5 (12) 2 J(2 Rpl+ K i ki )KK, Kr Kui 明时间常数或影响系数过大.试验中速度阶跃输入 K,K, KiKi 采用高的速度和小的加逖度,电机速度变化时间长, )(2 Rph Kpi ki) (13)有利于观察运动过程中跟随误差的变化 由式(12)和(13)得: 通过实验调整,本前馈控制器滤波时间常数和 k≤/(2R+KK) 前馈系数设定为T=8ms,K=0.6 4 K LiKe 经试验测定,实际 Diamond机构一阶共振频率 为=251.3ds,代入上式得K2≤1.28.考虑系统 全域负载变化,在此取K-1.0.在上述控制参数计 ⑧-K,下的G;() 算中,电机负载惯量取其在整个工作空间内的全域 均值,要实现控制响应无超调,要求位置伺服系统在 整个工作空间内处于临界阻尼或过尼状态,即系 图6带有前馈环节的控制系统 统阻尼比5列1为此,需要对工作空间内的极限情 Fig. 6 Control syste m with fccd forward control loop 况进行校合,将前面计算的工作空间内电机最大负33试验验证及应用 载惯量和最小负载惯量分别代入式(12)得其对应的 将上述设计的控制系统及其控制参数应用于Dxr 阻尼比-2.06和至-2.24,可见,系统均处于过mond机械手控制图7为动平台由(x,M)=(-20m, 阻尼状态 385m)沿直线移动到(x2,y)=(20m,-385mm)时 在机械手运动过程中,主动关节转速不断变化,实际测得的主动关节1轨迹与跟随误差曲线,其中 恒定的位置增益使得机械手在不同的位形下位置误图(a)(c)为没有速度前馈控制时的轨迹和跟随误 差不同,进而导致机械手动平台运动轨迹误差为了差、b)d)为采用前馈控制时的轨迹与龈随差 减小跟随误差,在位控单元设置速度前馈控制器,以可见,采用合适的速度前馈控制可大大减小位置误 补偿对速度输入的跟随误差,见图6 差,使得实际运动轨迹与设定轨迹基本相符,实现 前馈补偿器可看作一阶滤波器,需要通过实验械手高速连续轨迹运动 调整前馈系数K和滤波时间常数T.理论上,当K 目前,该机械手工作空问内最高运动速度达 =1时,系统稳态位置眼踪误差为零然而,由于机 5m/s,最大加速度60m/s 械手运动过程中驱动电机一直处于加减速过渡状 4结论( Coclusion) 态,且机械手处于工作空间不同位置吋等效负载惯 量的变化导致控制系统发小变化,因此,难以达到完 本文在动力学分析和奇异佰分析的基础上,研 全补偿试验中通过观察电机速度阶跃输入的跟随 究了 Dia mond高速、轻型并联机械手主动关节负载 68 机署人 2004年1月 惯量随位形变化的规律,完成了机械手的控制系统稳定可靠 设计及参数整定,并得到如下结论 (3)提出∫控制系统参数整定的理论分析和试 (1) Dia mond机槭手采用轾质细杆结构,主动关验方法,实现了机槭手高速连续运动轨迹控訇 节等效惯量低,在不同位形下动力学耦合作用小,适 (4)所提出的机械手及其控制系统结构简单 于采用单轴反馈控制 工作稳定可靠,成本低,可用于开发其它高速物流传 (2)构銈了单关节误差反馈控制系统,该系统输系统,具有较为广阔的工程应用前景 采用商业化的数控单元和驱动器,开发周期短,工作 设定路径 Q2一 设定径 4加道 实际路径 实际踣径 ; 01:…::……----2 0bV1-om 115Tmi 12Timt 125mg 13Tms 135nrm 1u 1360ma 1aG0m lAme 1500mt ra100m"hm车1 0一r 423 c0- 1 1、……………………-…………… 004 态1 a02=……,…,………………………… 第于…订”…:…………… 002-2 +·++““土斗平““即4正 0 Elin stnI T10115m120m1250m130m130140 1250H140m1450m:150150:.160Mm1680m17 iLi 图7关节路径及跟随误差 ig. 7 Joint paths and following errors 参考文献( References) using time-varying sliding surfacc A]. Proccc dings of the IEEE Interna nal Confe re nce on Robotics and Automation[C. Atlanta, LSa [l] Burdet E, Sprenger B, Codourey A. Expe riments in nonlinear adaptive 1993,1.89-93 [8] Pierrot F, Benoit M, et al. High speed control of a parallel robo[ A] Robotics and Automation[ C]. Albuquerque: 1997,. 537-542 Proceedings of IF.FE!RS. J/( Inte rmaticmal Confe rence on Intellige nt 12]Codourey A. Dyna mic modeling and mass matrix evaluation of the delta Robots and Syste ms[ C]. Japan: 1990.949-954 parallel robot for axes decoupling control[ J]. IEEE Transactions on [9] Youcef Tou mi K, Kuo A T Y. High speed trajectory control of a direct- Robotics and Automation, 1996,8(4):1211-1218 drive manipulator j. IEEE Transations on Robotics and Automation I 3]Huang T, Zhao X Y, Wang Y, et ai. Determination of servomotor pa- 1993,91):102-108 ra meters of a tripod- base d pa rallel kine matic machine [J]. Progress in 10]黄田,李矇,李占贤.仅含转动副的二自由度平动并联机器人 Natural Sciences, 2001, 11(8): 612-621 机构[P].中国专利:01145160.2(请号),2001 I 4 Novakovic B M. Feedforward neural net works for adaptive nonlinear robot [11]永,谭民,机器人控制器的现状及展望[J.机器人.199,21 control[ A]. Proccc dings of IEeE RSJ/ GI International Confcrcncc I- (1):75-80 telligent Robots and Syste ms[ C]. Munich: 1994.486-493 12]薛定宇,反馈控制系统设计与分析[M].北京:清华大学出版 [5 Mller K. modeling of dyna mics and model- based control of Delta direct 社,2 drive parallel robu[I]. Journal (f Robo ics and Vech:tronics, 1995,17 作者简介 [6]Paul R P, Shi mano B E, Mayer G. Kine ratic control equations for sim- 李占賢(1965),男博十研究生.研究领域:并联机器人技术 ple manipulators[J]. IEEE Transactions on Sys te ms, Man and Cyber- 黄田(1953-),男,工学博士,博士生导师.研究领域:并 netics, 1981,1l(6):449 联机器人理论,关键技术及产品廾发 17]Park K b, Lec JJ. Variable structurc controller for root manipulators 梅江平(1967-)男,博士后.研究饫域:数控技.

...展开详情
试读 6P 二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究.pdf
立即下载 低至0.43元/次 身份认证VIP会员低至7折
    抢沙发
    一个资源只可评论一次,评论内容不能少于5个字
    img
    • 至尊王者

      成功上传501个资源即可获取

    关注 私信 TA的资源

    上传资源赚积分,得勋章
    最新推荐
    二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究.pdf 10积分/C币 立即下载
    1/6
    二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究.pdf第1页
    二平动自由度高速轻型并联机械手控制技术研究.pdf第2页

    试读已结束,剩余4页未读...

    10积分/C币 立即下载 >