考虑运动副摩擦的混合输入机构理论与实验研究

摘要

混合输入机构既具有较好的刚性又具有一定的柔性,在理论上比较理想的解决了柔性化与高承载力这一对矛盾,是现代机构学的重要研究方向之一。精确实现给定的运动是混合输入机构的主要功能,但系统中摩擦力对机构的动态性能及运转精度有重要的影响。在混合输入机构的动力学、控制研究中考虑摩擦力的影响,对于改善系统性能具有重要的理论与实际意义。本学位论文以平面两自由度混合输入机构为研究对象,对考虑运动副摩擦的混合输入机构实现给定运动轨迹的轨迹规划、动力学建模、控制与检测进行了研究。提出一种混合输入机构连续轨迹的规划方法。首先,确定给定机构的工作空间,指出了给定机构可实现轨迹与机构工作空间的位置关系。提出了一种基于三次样条函数对周期闭合连续轨迹进行数学描述的方法,保证输出轨迹及一阶、二阶导数均连续。根据混合输入机构的特点提出一种逆运动学分析方法,可得到输入运动与时间的对应关系,将其作为学习样本,进行RBF神经网络训练即可得到原动件的输入运动规律。仿真结果表明该轨迹规划方法精确有效。提出了基于计算机视觉的混合输入机构运动轨迹的检测方法。构建了基于计算机视觉的混合输入机构运动轨迹检测系统,包括图像采集系统硬件的选型与匹配,动态图像采集、处理软件的开发等。提出了一种修正的Tsai标定方法,实现了摄像机高精度的平行标定。提出了适于低对比度数字图像的处理、基于序列图像的运动目标检测、分割和亚像素定位的高效算法。基于构建的检测系统,应用计算机视觉测量方法对混合输入机构的运动轨迹进行了检测实验,结果表明采用视觉方法进行混合输入机构的运动轨迹和速度的检测是可行的,且具有较高的检测精度。提出了一种考虑运动副摩擦情况下混合输入机构动力学建模方法。将机械系统中的摩擦力视为外加非保守力,提出了包含系统摩擦的Kane方程。将运动副元素间的作用力转化为理想约束力与摩擦力矩,建立了考虑摩擦时机构运动副的力学模型。应用Kane方法建立了考虑运动副摩擦的混合输入五杆机构动力学模型,给出了该动力学模型的求解方法并进行了计算机仿真,结果表明运动副摩擦对混合输入机构的运动影响显著。提出了考虑恒速电机速度波动和系统不确定时混合输入机构实现轨迹跟踪的控制方法。根据混合输入机构中恒速电动机可测不可控的特点,提出了混合输入机构实现轨迹跟踪的硬件结构方案和基于恒速电动机角位置跟踪的可控电动机控制策略。将系统中的摩擦、外部扰动等集成为系统的不确定和,设计模糊自适应变结构控制器进行给定轨迹的跟踪。应用模糊自适应推理实现了对系统不确定和的逼近,获得连续的控制增益,消除了传统变结构控制引起的抖振问题。基于柔性铰链设计出一种新型的摩擦传感器结构。提出一种通用的柔性铰链柔度的计算方法,适用于各种切口形状的柔性铰链的设计。将两个柔性铰链和两个弹性悬臂梁进行组合,设计出一种新型的摩擦传感器结构,该新型结构消除了传统摩擦传感器组合构件间的摩擦和反向间隙,可实现速度反向区的摩擦检测。推导得到该传感器结构的解耦表达式,对传感器结构进行优化设计消除了正压力与摩擦力的耦合。应用所设计的摩擦传感器进行了运动副摩擦检测试验,结果表明所设计的传感器可实现正压力与摩擦力的解耦,并可实现运动副摩擦的检测。对本文提出的理论与方法进行了实验研究。构造了由普通三相交流电动机和交流伺服电动机驱动平面5R机构、辅以检测控制系统、应用计算机视觉方法对输出轨迹进行检测的混合输入机构轨迹生成与检测实验平台。提出并设计了一种两电动机初始角位置动态同步的检测装置,实现了两类电动机的同步控制。基于伺服电动机对恒速电动机闭环跟踪的控制策略进行了两种给定轨迹的生成与检测实验,结果表明本文所提理论和方法可行有效。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 选题背景与研究意义

1.2 混合输入机构研究现状

1.2.1 混合输入机构的结构学研究

1.2.2 混合输入机构的运动学研究

1.2.3 混合输入机构的动力学研究

1.2.4 混合输入机构的控制研究

1.2.5 混合输入机构的应用研究

1.3 机械中摩擦的研究现状

1.3.1 摩擦的特性

1.3.2 摩擦模型的研究

1.3.3 摩擦补偿的研究

1.4 本文研究的主要内容

2 混合输入机构轨迹规划研究

2.1 概述

2.2 混合输入机构工作空间

2.3 混合输入机构轨迹规划

2.3.1 混合输入机构可实现轨迹的特点

2.3.2 期望轨迹曲线的数学描述

2.3.3 混合输入五杆机构逆运动学分析

2.2.4 伺服电机运动规律的确定

2.4 实例仿真

2.5 本章小结

3 基于计算机视觉的混合输入机构运动轨迹检测

3.1 概述

3.2 检测原理

3.3 数字图像的获取

3.3.1 数字图像简介

3.3.2 动态序列图像采集系统

3.4 摄像机标定

3.4.1 摄像机模型

3.4.2 摄像机参数的标定

3.4.3 实验验证

3.5 数字图像处理

3.5.1 图像增强

3.5.2 图像滤波

3.6 运动目标提取与定位

3.6.1 运动目标检测

3.6.2 基于最优阈值的图像分割

3.6.3 目标特征提取与定位

3.7 机构运动轨迹检测实验

3.7.1 实验步骤

3.7.2 图像处理与实验结果

3.8 本章小结

4 考虑摩擦的混合输入机构动力学建模与仿真

4.1 概述

4.2 Kane动力学方程

4.2.1 Kane动力学方程简介

4.2.2 考虑系统摩擦的Kane动力学方程

4.3 考虑关节摩擦的混合输入机构的动力学模型

4.3.1 考虑摩擦时机构运动副的力学模型

4.3.2 机构运动分析

4.3.3 机构受力分析

4.3.4 包含摩擦的混合输入机构的Kane方程

4.4 动力学模型的求解方法

4.4.1 包含关节摩擦的混合输入机构逆动力学方程

4.4.2 关节摩擦力矩的求解

4.4.3 包含摩擦的动力学微分方程求解

4.5 仿真计算

4.6 本章小结

5 混合输入机构精确实现给定轨迹的控制研究

5.1 概述

5.2 控制策略

5.2.1 控制策略与原理

5.2.2 检测控制平台结构

5.3 轨迹跟踪控制器设计

5.3.1 伺服驱动动力学模型

5.3.2 模型不确定分析

5.3.3 滑模变结构控制简介

5.3.4 变结构控制器设计

5.3.5 模糊控制原理及模糊控制器设计

5.3.6 模糊自适应推理对系统不确定和的逼近

5.4 轨迹跟踪仿真与分析

5.5 本章小结

6 基于柔性铰链的新型摩擦传感器设计

6.1 概述

6.2 柔性铰链的设计

6.2.1 柔性铰链简介

6.2.2 柔性铰链设计

6.2.3 直圆柔性铰链柔度计算与分析

6.3 摩擦传感器的设计

6.3.1 新型摩擦传感器结构

6.3.2 摩擦传感器设计

6.3.3 设计实例仿真

6.4 运动副摩擦检测实验

6.4.1 检测原理与实验设备

6.4.2 传感器标定

6.4.3 检测结果与分析

6.5 本章小结

7 混合输入机构轨迹跟踪与检测实验研究

7.1 概述

7.2 混合输入机构轨迹跟踪与检测实验系统

7.2.1 实验系统结构

7.2.2 原动件初始角位移动态同步检测系统

7.3 轨迹检测与跟踪实验系统工作原理与流程

7.3.1 轨迹跟踪控制策略

7.3.2 交流伺服电机伺服控制系统

7.3.3 实验系统工作原理

7.3.4 实验流程

7.4 轨迹跟踪与检测实验

7.4.1 轨迹生成与检测结果

7.4.2 实验结果分析

7.5 本章小结

8 全文工作总结

致谢

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果