1、何景峰何景峰 2014-03-04哈工大哈工大 機電學院機電學院流體控制及自動化系流體控制及自動化系 內容目錄內容目錄1. 冗余驅動并聯機構研究現狀冗余驅動并聯機構研究現狀2. 冗余驅動并聯機構的控制冗余驅動并聯機構的控制3. 冗余驅動并聯機構的應用冗余驅動并聯機構的應用 冗余驅動并聯機構的研究現狀冗余驅動并聯機構的研究現狀 冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動機構的研究現狀并聯機構并聯機構運動平臺運動平臺伸縮支腿伸縮支腿固定平臺固定平臺關節鉸關節鉸 冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動機構的研究現狀Gough-Stewart機構機構 六邊形六邊形六邊形六邊形 冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動機構的研究現狀

2、運動模擬運動模擬vs.穩定穩定振動模擬振動模擬vs.振動隔離振動隔離 冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動并聯機構冗余驅動并聯機構 8個支腿個支腿6自由度自由度驅動數目驅動數目自由度數目自由度數目 冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動并聯機構冗余驅動并聯機構 冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動并聯機構的應用冗余驅動并聯機構的應用 冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動并聯機構的應用冗余驅動并聯機構的應用 日本國家地球科學與防災研究院 冗余驅動機構的研究現狀冗余驅動機構的研究現狀當前研究現狀當前研究現狀 1）動力學模型）動力學模型2

3、）內力求解）內力求解(采用優化方法采用優化方法)3）消除奇異性（）消除奇異性（數值方法數值方法）4）控制方法（）控制方法（計算力矩控制計算力矩控制+內力控制內力控制）5）內力的利用（）內力的利用（剛度調節、消除機構間隙剛度調節、消除機構間隙） 動力學建模動力學建模 動力學建模動力學建模機構簡圖機構簡圖bZa) 正視圖正視圖 b)俯視圖俯視圖圖圖2-1 冗余驅動并聯機構示意圖冗余驅動并聯機構示意圖brardrur7A8A9A7B8B9B7896A1B1A5A4A3A2ladpO2A2B3B4B5B6BbdbrarpXpYpYpXbXbYpZ3B2B4B5B1B6BbO2l456123123456

4、 單剛體單剛體動力學動力學動力學建模動力學建模IIfLRAppanptgfL ppanmm牛頓方程：牛頓方程：歐拉方程：歐拉方程： (2-20) qGqqq,CqqMfqJpppaTlq qMpqqq,Cp qGp慣量矩陣（慣量矩陣（Inetia matrix），），66科氏力和向心力項（科氏力和向心力項（Coriolis，centripetal force），），61重力項（重力項（Gravity），），61寫成標準形式：寫成標準形式： 多剛體多剛體動力學建模方法動力學建模方法pOrcvaivrcq qa,Jarc,Jtcvtcart,JlqJ1423Kane方程：方程：0* ff動力學建模

5、動力學建模 多剛體動力學模型多剛體動力學模型 qGqq,CqqMfqJsssaTlq 91q ,a,ibia,mrTq ,aps)(iiiiiJMMJqMqM91iiib,ia,imr,q ,aiib,ia,imr,Ti ,apsii,i2aPMMqJCCJqqqCqq,C 91atarTqai,psiGGJqGqG其中，其中，質量陣：質量陣：科氏力項：科氏力項：重力項：重力項：動力學建模動力學建模支腿慣性項支腿慣性項 液壓驅動系統模型液壓驅動系統模型1p2p1Q2QvxsP0Pl伺服閥伺服閥液壓缸液壓缸LcvqLPKxKQLtLtcL4PVPClAQelBfAPcaL伺服閥流量方程：伺服閥流

6、量方程：流量連續性方程：流量連續性方程：力平衡方程：力平衡方程：動力學建模動力學建模 整體動力學模型整體動力學模型冗余驅動并聯機構冗余驅動并聯機構多剛體動力學多剛體動力學9套套液壓伺服驅動系統液壓伺服驅動系統出出力力速速度度 閥芯位移閥芯位移動力學建模動力學建模 整體動力學模型整體動力學模型動力學建模動力學建模qq,Cs qGs qJTlq qM1ss1 qJlqlaf+ +- - -q q As1rCcBA- - -+ +tcC- -LQcK- -qKvx+ + + +LP液壓驅動系統液壓驅動系統多剛體系統多剛體系統 可視化動力學模型可視化動力學模型動力學建模動力學建模 減少或消除機構奇異性

7、減少或消除機構奇異性 機構奇異性機構奇異性qJllqfJFTlq速度傳遞：速度傳遞：力傳遞：力傳遞：0lqJ奇異：奇異：fFq l機構雅克比矩陣奇異！機構雅克比矩陣奇異！6)(lqJrank消除機構奇異性消除機構奇異性 機構奇異性機構奇異性消除機構奇異性消除機構奇異性 Hunt奇異奇異重力重力A軸軸D0D消除機構奇異性消除機構奇異性 奇異位形實驗奇異位形實驗實驗現象：實驗現象：1 1，當接近上述位形時，很小的缸位移，平臺姿態變化很大；，當接近上述位形時，很小的缸位移，平臺姿態變化很大；2 2，在達到上述位形時，平臺不受支腿控制，會發生翻轉，在達到上述位形時，平臺不受支腿控制，會發生翻轉消除機構

8、奇異性消除機構奇異性 奇異時的機構特性奇異時的機構特性-200-150-100-50050100-25-20-15-10-50510152025Displacements of Legs (mm)Forces of Legs (KN)1234562.3噸！噸！支腿受力變化支腿受力變化遠大于平臺和負載總重遠大于平臺和負載總重消除機構奇異性消除機構奇異性 奇異曲面奇異曲面 0lqJ消除機構奇異性消除機構奇異性02019181721615214131221131029283726524232231fzfyfxfzfyzfyfxzfxyfxfzfyzfzyfyfxzfxyzfxyfzxfyxfxfz

9、, y, xF (3-1) 奇異曲面奇異曲面 消除機構奇異性消除機構奇異性 工作空間工作空間 位置工作空間位置工作空間消除機構奇異性消除機構奇異性 工作空間與奇異曲面工作空間與奇異曲面 消除機構奇異性消除機構奇異性工作空間工作空間 工作空間與奇異曲面工作空間與奇異曲面 消除機構奇異性消除機構奇異性 無奇異的路徑規劃與控制（無奇異的路徑規劃與控制（避開避開）消除機構奇異性消除機構奇異性增加冗余驅動（增加冗余驅動（減少或消除減少或消除）克服奇異性克服奇異性 無奇異的路徑規劃與控制無奇異的路徑規劃與控制消除機構奇異性消除機構奇異性 冗余方式一：冗余方式一：將被動關節變為主動關節將被動關節變為主動關節

10、消除機構奇異性消除機構奇異性被動關節被動關節 主動關節主動關節增加驅動增加驅動 冗余方式二：冗余方式二：增加冗余支腿增加冗余支腿重力重力A軸軸d0d 冗余支腿冗余支腿消除機構奇異性消除機構奇異性 冗余支腿的布置冗余支腿的布置JJKT消除機構奇異性消除機構奇異性T10.74-00.0500.70v9.25.864.831.480.6820diagD0 增加冗余支腿增加冗余支腿1v消除機構奇異性消除機構奇異性T10.74-00.0500.70v 關鍵冗余支腿關鍵冗余支腿消除機構奇異性消除機構奇異性增加增加3條條冗余支腿冗余支腿 工作空間搜索工作空間搜索消除機構奇異性消除機構奇異性024681012

11、141601234567x 1013極 限 位 姿 序 號K矩陣條件數趨于無窮！趨于無窮！ 工作空間搜索工作空間搜索消除機構奇異性消除機構奇異性工作空間內的雅克比矩陣條件數02468101214167891011121314151617極 限 位 姿 序 號K矩陣條件數 內力控制內力控制 機構力變換關系機構力變換關系FfJaTlq afFTlqJ平臺上的力平臺上的力支腿力支腿力內力控制內力控制 機構內力及其求解機構內力及其求解 amTlqTlqTlqafJJIFJfFfJaTlq 內力控制內力控制機構內力機構內力通解：通解：0fJinTlq amTlqTlqinfJJIfFFJJTlqTlq

12、內力控制內力控制 TlqTlqJJIN LinNAPf 內力控制內力控制 內力控制仿真結果內力控制仿真結果00.20.40.60.811.21.41.61.82-5000-4000-3000-2000-100001000200030004000Time(s)Internal force (N)00.20.40.60.811.21.41.61.82-5000-4000-3000-2000-100001000200030004000Time(s)Internal force (N) a)內力控制前內力控制前 b) 內力控制后內力控制后 內力控制內力控制 剛度分析與調節剛度分析與調節 繞Y旋轉平移運

13、動平移運動平移耦合旋轉運動旋轉運動剛度分析與調節剛度分析與調節 100101-60-50-40-30-20-100頻 率 (Hz)幅度 (dB)1 2 3 4 5 6 1Y;2X rotation自由度間耦合實驗結果自由度間耦合實驗結果剛度分析與調節剛度分析與調節 Gough-Stewart機構的對稱性機構的對稱性剛度分析與調節剛度分析與調節T654321aaaaaaA 解析剛度表達式解析剛度表達式剛度分析與調節剛度分析與調節21z21y21x1xyn1,1yxn1,21y21x1xyn1,1yxn1,2zn1,1xyn1,1yxn1,2yn1,2xn1,1xyn1,1yxn1,2yn1,2x

14、n1,2000000)(000)l(l00)(0)l(l00002l0000)l(l0)l(l00)l(l000)l(lvvvvvvvvvvvvvKstewart 解耦條件解耦條件剛度分析與調節剛度分析與調節01xyn1,1yxn1,vlvl21z21y21x1xyn1,1yxn1,21y21x1xyn1,1yxn1,2zn1,1xyn1,1yxn1,2yn1,2xn1,1xyn1,1yxn1,2yn1,2xn1,2000000)(000)l(l00)(0)l(l00002l0000)l(l0)l(l00)l(l000)l(lvvvvvvvvvvvvvKstewart解耦條件：解耦條件： 剛度

15、解耦剛度解耦剛度分析與調節剛度分析與調節21z21y21x21y21x2zn1,2yn1,2xn1,2yn1,2xn1,stewart2000000)(000000)(0000002l000000)l(l000000)l(lKvvvvv 解耦條件與解耦點位置解耦條件與解耦點位置剛度分析與調節剛度分析與調節圖 5-4 6-6 Gough-Stewart機構的剛度解耦點HLrrrhhXOY2baa)p(cos- , ,剛度分析與調節剛度分析與調節特殊結構的解耦點位置特殊結構的解耦點位置解耦點解耦點解耦點解耦點支腿支腿 圖 5-5 3條冗余支腿的解耦點剛度分析與調節剛度分析與調節3條冗余支腿的解耦點

16、條冗余支腿的解耦點解耦點解耦點 圖 5-6 具有3條冗余支腿的Gough-Stewart機構的剛度解耦點剛度分析與調節剛度分析與調節冗余機構的解耦點冗余機構的解耦點解耦點解耦點 被動剛度被動剛度 vs. 主動剛度主動剛度qFK總剛度總剛度paKKKlqhTlqaTlqJKJfqJK剛度分析與調節剛度分析與調節主動剛度主動剛度被動剛度被動剛度 TlqJTlqJTlqJzTlqJ主動剛度主動剛度aTlqafqJK剛度分析與調節剛度分析與調節Heisson矩陣矩陣yTlqJxTlq J 剛度調節剛度調節1 . 600000045. 10004 . 10045. 104 . 10000.13700004 . 108.56004 . 1-0008.56pK剛度分析與調節剛度分析與調節被動剛度被動剛度 剛度調節剛度調節剛度分析與調節剛度分析與調節主動剛度主動剛度.2400000003.400001 . 0003.4001 . 00000028. 000001 . 000.014-001 . 00000.014-aKaTlqafqJK 剛度調節剛度調節4.360000008