Dynamic Modeling and Simulation of The 6-DOF Parallel Manipulator

摘要

六自由度（6- DOF）平台是一种并联机器人，它引起了人们的广泛的兴趣，并迅速传播开来。与串行机械手相比，6- DOF并联机器人有精度高、结构刚性强、承载能力强、惯性低和应用广泛的特点。并联机构广泛应用于飞行和车辆仿真、宇宙飞船安装系统,球面射电望远镜,高精度加工中心,矿山机械、制造业、医疗应用、空间装置,娱乐行业及研究应用等各个领域。然而其工作空间小以及机制复杂性增加了建立模拟器的动态模型的难度。
　　并联机构动力学上复杂的多闭环链在动态问题上面临诸多困难,如结构复杂、多被动的自由空间运动学、显性的惯性摩擦力、重力分量和逆动力学的解决方案。动力学主要有两个问题。运动操纵的直接问题来自于外力。这个问题，与操纵仿真有关，涉及常微分方程、或在给定初始条件下的差分代数方程解决方案。第二个反问题旨在将联合转矩或给定的操作运动力作为时间函数，因此，需要代数和三角函数。
　　并联机构的动态，对发现力的结构和联合位置，以及速度和加速度作用之间的映射而言，是十分重要的。本文所述新型方法首先从运动学模型展开分析，并提出了6-DOF并联机器人动态模型。作者还认为，每一对链接和链接之间的关节僵硬，缺少摩擦。这些现象的整合体现在6- DOF并联机器人的动力学模型上。该新型动态模型包括伺服电机建模和摩擦力建模两部分。
　　该论文提出，新型动态方程与摩擦力可应用于系统中。新型动态方程的开发基于拉格朗日公式。新型动态方程公式被定义为，6-DOF并联机器人的动能和势能之间的差异。当反馈控制的方法应用于移动物体时，摩擦是必不可少的动力之一。控制领域长期对其他动力复杂调查进行整合,比如多体动力学。鉴于此，我们通常使用摩擦力和力矩的近似模型。作者还认为，每一对链接和链接之间的关节僵硬，缺少摩擦均在这一新型模型中有所体现。
　　动态控制提出了以新的技术与特点相结合的滑模控制和关节空间控制（SMC+JS）。关节间隙控制方案已应用于伺服反馈控制环路中的正向运动学和动力学方面。并且以新的技术与特点相结合的滑模控制和关节空间控制（SMC+JS）能优先满足控制率的要求。通过对跟踪控制模型的研究，我们可以知道，SMC+JS包括两个阶段：可达性阶段和滑动阶段。可达性阶段在滑动阶段的状态下应用适当的控制算法形成稳定流形，然后趋向一个平衡点。这项以新的技术与特点相结合的滑模控制和关节空间控制可以改善系统的控制性能。
　　动态模型的基于模型的控制是通过使用Simulink进行模拟仿真。该模型控制器的测位实验结果表明，使用以新的技术与特点相结合的滑模控制和关节空间控制的控制器,不存在稳态误差以及定位6自由度并联机器人平台到预期目标位置过程中的细小误差。对于超调量而言，新技术的控制器属于非超调量控制器。采用新方法的基于模型的控制在状态估计中显现出稳定及精确的能力。0.3秒接近稳定状态的过程中稳态误差小于0.05米。电致动器驱动力在向各致动器施加起动负载时，能够十分有效地减少电系统的静载荷。随后却只需约1×104 N的负载追踪轨迹，0.06秒就可接近稳定状态。

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Parameter

Chapter 1 Introduction

1.1 Background and Significance of the Research

1.2 The Current Research Status

1.3 Statement of Problem

1.4 Contents and Structure of Dissertation

Chapter 2 The Fundamental of Parallel Manipulator

2.1 Position of Parallel Manipulator

2.2 Structure Classification of Parallel Manipulator

2.3 Position Analysis of A General Stewart-Gough Platform

2.4 Jacobian Analysis of Parallel Manipulators

2.5 Kinematics of Parallel Manipulators

2.6 Dynamic of Parallel Manipulators

2.7 Position Control of Manipulator

2.8 Simulink

2.9 Summary

Chapter 3 Kinematics Analysis

3.1 The 6-DOF Parallel Manipulator Composition

3.2 Inverse Kinematic Analysis

3.3 Forward Kinematic Analysis

3.4 Summary

Chapter 4 Dynamic Modeling

4.1 The Dynamic Formulation Method

4.2 Setting up the Dynamic model

4.3 The Dynamic Model with Friction Force

4.4 Moving Platform Modeling

4.5 Cylinder Modeling

4.6 Piston Modeling

4.7 Servomotor Dynamics

4.8 Integrated System Equations

4.9 Summary

Chapter 5 Dynamic Control Algorithm

5.1 Feedback Control Scheme

5.2 The Implement of Joint Space Control Scheme

5.3 The New Technique Combining Features Sliding Mode Control and Joint Space Control

5.4 The Computer Model

5.5 Summary

Chapter 6 Simulation Results and Model Validation

6.1 The New Dynamic Model Simulation Results and Analysis

6.2 Dynamic Model Validation

6.3 Summary

Conclusion

参考文献

Publication

致谢