南京航空航天大学 硕士学位论文 一种用于柔性定位器的三自由度并联机构研究 姓名：洪超 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：吴洪涛 2010-01 南京航空航天大学硕士学位论文 i 摘 要 并联机器人的高刚度、 高精度、 强承载能力等许多优点使它成为一种与串联机器人品质截然 不同的机器人类型。目前，并联机器人在数控加工、运动模拟、传感器、精细操作等这些领域得 到了广泛的应用。 可以说并联机器人尤其是少自由度并联机器人有着良好的发展应用前景。 基于 此，本文提出了用作定位器的 Tripod 并联机器人。它使用了三组电动推杆，每组电动推杆的两 杆之间通过同步带与锥齿轮连接，构成了类似于 Delta 机构中的平行四边形结构。 本文分析了 Tripod 机构的自由度、位置正逆解的解析解、工作空间与奇异性，进行了轨迹 规划。 在此基础上设计完成了机构控制系统的硬件部分。 该控制系统以交流伺服电机为驱动装置， 采用 PMAC 多轴运动控制卡来协调各杆的运动。由于存在间隙等非线性因素，难以建立 Tripod 并联机器人的精确模型， 因此机构的控制系统选用了模糊 PID 控制方法。 设计了一个二维模糊控 制器， 并在 MATLAB 的 SIMULINK 环境下进行控制系统的仿真， 仿真结果显示模糊 PID 控制算法具 有很好的控制效果，可实现对 Tripod 定位器按照规划速度曲线上的运动控制。 最后，利用 ADAMS 软件对 Tripod 定位器进行了简单的动力学仿真，得到了驱动力随时间变 化的曲线图。并对 Tripod 定位器在飞机装配对接中的应用做了简单的分析。 关键词：关键词：并联机器人，Tripod 定位器，位置分析，工作空间，模糊 PID 控制 一种用于柔性定位器的三自由度并联机构研究 - ii - Abstract The virtues of parallel robot (P.R) such as high rigidity, excellent precision and strong carrying capacity make it a style with different characters to serial robot (S.R). At present, P.R is widely used in the fields of numerical control process, movement simulation, sensor and precise process and so on. Parallel robot, especial Low-DOF P.R has favorite perspective in development and application. Tripod, a P.R used as positioner is extracted in this paper based on the ground. The Tripod uses three groups legs. The two legs of each group joined by umbrella gear and synchronous strip are similar to the parallelogram of Delta P.R. In this paper, a structure of Tripod control system is designed based on the analysis degree of freedom, displacement, workspace, singularities and path planning of the positioner. AC servo motors are the driving equipment, PMAC is the multi-shaft motion controller in the system. It is difficult to establish the exact model due to nonlinerity factors such as gap, so a Fuzzy-PID control is designed for the Tripod control system. Simulation of The control system is performed in MATLAB/SIMULINK. Result of simulation is descriped: Fuzzy-PID control algorithm has more effective performance.It can make the positioner to move under the planning path. A graph of driving force is gained based on the dynamics simulation of Tripod by using ADAMS. The possibility that apply the Tripod positioner to aircraft assembles is presented at the end of this paper. Keywords: parallel robot, Tripod positioner, displacement analysis, workspace, Fuzzy-PID 南京航空航天大学硕士学位论文 v 图表清单 图 1.1 stewart 机构简图与飞行训练模拟器 2 图 1.2 六自由度并联工作台3 图 1.3 5UPS 并联机床3 图 1.4 Delta 并联机器人4 图 1.5 Tripod 并联机构 6 图 1.6 动平台相对于基座旋转 7 图 1.7 三自由度 Tripod 与四自由度 T-pod47 图 2.1 Tripod 并联机构简图 9 图 2.2 运动学等效后的 Tripod 机构示意图 10 图 2.3 分支坐标系的运动螺旋系11 图 2.4 不同安装条件下具有不同的自由度15 图 2.5 Tripod 并联机构16 表 2.1 位置逆解算例 18 图 3.1 工作空间中有孤岛 22 图 3.2 LminBQ 时应求交部分 22 图 3.3 LminBQ 时应求交部分 23 图 3.4 没有小圆的连续工作空间23 表 3.1 Tripod 定位器结构基本参数24 图 3.5 Tripod 定位器的连续工作空间 24 图 3.6 z=1 平面内 Tripod 机构的最大刚度 26 图 3.7 Tripod 在工作空间内取得最大刚度的方向 26 图 3.8 在 z=1 平面内 Tripod 机构的最小刚度27 图 3.9 Tripod 在工作空间内取得最小刚度的方向 27 图 4.1 控制硬件结构图29 表 4.1 Tripod 定位器拟采用的主要元器件30 图 4.2 Tripod 定位器控制系统逻辑结构图31 图 4.3 PMAC2-PCI 接口32 图 4.4 伺服电机与驱动器连接图 34 图 4.5 直线位移传感器安装示意图 35 一种用于柔性定位器的三自由度并联机构研究 - vi - 图 5.1 两段轨迹间的过渡 37 图 5.2 关节空间插值轨迹逼近 38 图5.3支路的位置闭环控制简图38 图 5.4 经典 PID 控制 39 图 5.5 模糊 PID 控制结构40 图 5.6 ec的隶属度函数 41 图 5.7 模糊 PID 控制规则曲面图42 表 5.1 P K的经验模糊控制规则表42 表 5.2 I K的经验模糊控制规则表 42 表 5.3 D K的经验模糊控制规则表42 图 5.8 模糊控制器设计43 图 5.9 PID 控制器设计 43 图 5.10 模糊 PID 控制器设计 44 图 5.11 Tripod机构SimMechanics动力学模型44 图 5.12 驱动杆 Simmechanics 模型 45 图 5.13 Tripod 机构模糊 PID 控制系统总体结构45 图 5.14 PID 与模糊 PID 控制效果比较 46 图 6.1 Tripod 并联机构简化模型47 图 6.2 动平台坐标变化 48 图 6.3 各杆驱动力 49 图 6.4 机身与机翼对接 49 图 6.5 定位器分布 50 承诺书