多重扰动下2(3HUS+S)并联仿生髋关节试验机动态性能分析及控制策略研究

摘要

髋关节试验机用于评价人工髋关节生物材料的摩擦磨损特性，其运动特性需与实际人体髋关节的生物学特性近似，并能满足动态加载要求。为了克服串联髋关节试验机在刚度、动态加载、复杂运动轨迹模拟等方面的缺点，弥补传统并联髋关节试验机只有一个动平台而导致工作效率低的不足，提出了一种具有两个动平台、可同时对两副人工髋关节进行摩擦磨损实验的2(3HUS+S)并联仿生髋关节试验机。由于并联机构的闭链结构特点，在高速、高加速度运动规律下，惯量耦合、构件弹性变形、运动副间隙及摩擦等多重扰动导致的非线性特性将加剧对并联髋关节试验机整机动态性能的影响。因此，为了改善并联髋关节试验机的工作性能、提高控制精度，从考虑惯量耦合、构件弹性变形、运动副间隙及摩擦等影响的动态性能分析出发，对并联髋关节试验机的精度、综合性能优化进行了研究，并提出了同时考虑结构误差及摩擦补偿的补偿控制策略，通过实验验证了所建立模型及所提出方法的有效性。主要研究内容如下：
　　1)为了研究并联髋关节试验机主动支链间惯量耦合特性，首先，在运动学分析基础上，基于 Lagrange法建立了基于工作空间的整机动力学模型，并通过雅克比矩阵变换，将基于工作空间的动力学模型向关节空间映射，得到了基于关节空间的动力学模型；然后，研究了并联髋关节试验机主动支链间惯量耦合特点，并根据基于关节空间动力学模型的惯性矩阵定义了惯量耦合评价指标；最后，对并联髋关节试验机主动支链间惯量耦合特性进行了数值仿真及虚拟样机实验验证，并得到了惯量耦合指标在工作空间内的分布规律及随结构参数的变化规律。
　　2)为了较真实的反映并联髋关节试验机的动力学特性，研究了运动副间隙、摩擦及润滑等对并联髋关节试验机非线性动力学特性的影响。首先，在分别对含间隙的球铰链和含间隙的人工髋关节及推力球轴承进行运动分析的基础上，建立了干接触及润滑接触下的接触模型；然后，综合间隙运动副的接触力，建立了并联髋关节试验机的整机动力学模型；最后，对并联髋关节试验机的动力学模型进行了数值仿真及实验研究，得到了运动副间隙、摩擦及润滑等对直线模组电机驱动力矩、人工髋关节受力及整机非线性特性等的影响情况。
　　3)为了研究主动支链弹性变形对并联髋关节试验机静/动态特性的影响，分别进行了刚度分析及弹性动力学建模。首先，将并联髋关节试验机两个动平台的对应部分划分为独立子系统，基于虚功原理建立了并联髋关节试验机的整机刚度模型；然后，考虑连接杆的弹性变形及直线模组丝杆的轴向及扭转振动，基于有限元法建立了并联髋关节试验机整机弹性动力学模型；最后，对建立的理论模型进行了数值仿真，得到了并联髋关节试验机的刚度、固有频率等在工作空间内的分布规律及随结构参数的变化规律，而且研究了动平台弹性转角在所需运动轨迹内的变化规律，并分别进行了虚拟样机实验及实验验证。
　　4)研究了并联髋关节试验机的姿态精度及综合性能优化，首先，考虑主要部件的加工/装配误差、运动副间隙等影响，在小摄动条件下建立了并联髋关节试验机误差模型，并进行了误差参数辨识研究；然后，为了保证并联髋关节试验机具有较好的整体性能，同时考虑驱动力矩、运动灵活性、惯量耦合强度、结构误差对整体精度的影响、运动副间隙导致的冲击等建立了综合性能优化模型，采用层次分析法确定了各优化指标权重系数；最后，通过数值仿真得到了优化后并联髋关节试验机的结构参数，并对比分析了优化前后各指标的变化情况。
　　5)在并联髋关节试验机综合性能优化基础上，为了降低结构误差及摩擦对控制性能的影响，研究了相应补偿策略。首先，将并联髋关节试验机主要静态误差直接在运动学中修正，而对于结构动态误差，通过神经网络预测其导致的动平台姿态误差，采用基于工作空间的补偿方法进行了补偿；然后，基于Stribeck摩擦模型对并联髋关节试验机主要运动副进行了摩擦建模，通过摩擦参数辨识，在控制系统中以前馈补偿方式对摩擦进行了补偿；最后，分别基于增广PD控制和计算力矩控制设计了综合结构误差及摩擦的补偿控制策略，并进行了实验研究。
　　6)在并联髋关节试验机结构误差及摩擦补偿基础上，为了进一步提高控制性能，针对各主动支链及动平台各自由度间的运动协调问题，基于同步控制思想设计了两种同步控制策略用于并联髋关节试验机的控制。首先，以并联髋关节试验机三条直线模组的运动协调为目标，根据基于关节空间的动力学模型设计了基于关节空间的同步控制策略，并进行了稳定性分析；然后，为了避免基于关节空间同步控制策略中主动支链间的耦合力矩，以动平台各自由度间的运动协调为目标，根据基于工作空间的动力学模型设计了基于工作空间的同步控制策略；最后，对并联髋关节试验机的两种同步控制策略开展了实验研究，并进行了对比分析。
　　本课题所开展的多重扰动下并联髋关节试验机动态性能分析及控制策略研究对于改善2(3HUS+S)并联仿生髋关节试验机的动态性能、控制精度等具有重要意义。同时，也可为其他类似机械设备的性能分析及补偿控制策略研究提供理论和实验借鉴。

目录

声明

致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 课题来源(Subject Source)

1.2 研究目的及意义(Research Purposes and Significance)

1.3 研究现状(Research Status)

1.4 主要研究内容及技术路线(Main Research Contents and Methodologies)

2 基于关节空间并联髋关节试验机惯量耦合研究

2.1 引言(Introduction)

2.2 运动学分析及动力学建模(Kinematics Analysis and Dynamic Modeling)

2.3 惯量耦合特性分析(Analysis of Inertia Coupling)

2.4 数值仿真及实验研究(Numerical Simulations and Experiments)

2.5 小结(Summary)

3 考虑关节效应并联髋关节试验机非线性动力学特性研究

3.1 引言(Introduction)

3.2 含间隙球面副建模研究(Modeling of Spherical Joint with Clearance)

3.3 并联髋关节试验机整机动力学建模(Dynamic Modeling of the Parallel Hip Joint Simulator)

3.4 数值仿真及实验研究(Numerical Simulations and Experiments)

3.5 小结(Summary)

4 考虑主动支链弹性变形并联髋关节试验机静/动态特性研究

4.1 引言(Introduction)

4.2 考 虑 主 / 从 约 束 刚 度 建 模 (Stiffness Modeling with Active/Constrained Wrench)

4.3 考虑 主 动支 链 弹性 变 形 动 态 特性 研 究 (Dynamic Characteristics Analysis with Elastic Active Branches)

4.4 数值仿真及实验研究(Numerical Simulations and Experiments)

4.5 小结(Summary)

5 并联髋关节试验机精度分析及综合性能优化研究

5.1 引言(Introduction)

5.2 并联髋关节试验机精度分析(Kinematic Accuracy of the Parallel Hip Joint Simulator)

5.3 并 联 髋 关 节 试 验 机 综 合 性 能 优 化 (Comprehensive Performance Optimization of the Parallel Hip Joint Simulator)

5.4 数值仿真及实验研究(Numerical Simulations and Experiments)

5.5 小结(Summary)

6 并联髋关节试验机结构误差及摩擦补偿策略研究

6.1 引言(Introduction)

6.2 结构误差及摩擦补偿方法研究(Methods of Error and Friction Compensation)

6.3 并联髋关节试验机补偿控制研究(Compensation Control Method for the Parallel Hip Joint Simulator)

6.4 补偿控制实验研究(Experiments of Compensation Control)

6.5 小结(Summary)

7 基于同步控制并联髋关节试验机补偿控制研究

7.1 引言(Introduction)

7.2 基于关节空间同步控制策略(Synchronous Control Based on Joint Space)

7.3 基于工作空间同步控制策略(Synchronous Control Based on Working Space)

7.4 实验研究(Experiments)

7.5 小结(Summary)

8 结论与展望

8.1 主要创新点(Main Innovations)

8.2 主要结论(Main Conclusions)

8.3 展望(Prospections)

参考文献

作者简历

学位论文数据集