可重构机械系统变形原理与调控方法的研究

摘要

现代机电产品正在变得越来越复杂，这使得机电产品在对功能和性能要求越来越高的同时，对其可靠性和安全性的要求也越来越高。本文以提高机械系统的可靠性和安全性的方法与技术的研究为主线，对可重构机械系统的变形原理、重构方法及其DSP控制的实现技术进行了较为深入系统的研究。
　　可调机构通过对传统机构杆长调节、铰链点的调节来完成多个任务，解决了传统机构任务单一性的问题，同时也为机构的重构容错提供了一条新思路。本文结合球面五杆机构来对可调机构的容错重构进行了研究，由于球面五杆机构具有两个自由度，所以要有确定运动就必须有两个输入，冗余的自由度使球面五杆机构的容错重构成为可能。本文对球面五杆机构容错重构前后的机构进行了仿真分析，并给出了故障重构为球面四杆机构的容错算法，并进行了容错重构后的仿真分析，通过调节铰链点的位置与杆长达到了重构后仍能完成重构前任务的目的。
　　设计了一种具有容错能力的探测车，该探测车可通过冗余关节的重构来实现探测车的变形，可采用轮、腿相结合的策略来完成不同路面状况下的行走任务，并且可以通过重构变形来达到车身宽窄变换以及整车高低变换以适应不同的探测环境。讨论了轮式和腿式两种故障情况下的容错策略，推导了相关的容错重构算法，在ADAMS平台中建立了虚拟样机并进行仿真试验，验证了轮式和腿式两种容错重构规划的可行性，并为探测车的控制提供了理论基础。
　　提出了一种机械系统可重构的混联机床，研究了混联机床机械系统的容错重构策略，提出了基于机构类型演化的机械系统重构容错新方法，给出了球铰演化为虎克铰的实施方案。导出了故障和非故障状态下混联机床的位置反解算法，在ADAMS平台中进行了仿真分析和研究，得到了容错重构前后自旋角的变化曲线以及各驱动腿的长度和工作台位移的变化曲线，仿真结果表明，利用混联机床的机械系统可重构性能可以提高混联机床的可靠性和安全性。
　　研究了基于DSP的机械系统重构策略的控制实现方法，针对可重构机械系统中的直流伺服电机的控制，研究了其PID控制实现方法，以混联机床的一条驱动腿的轨迹跟踪为例，进行了PID控制的仿真和实验研究。

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第一章 绪论

1.1 课题背景及可重构机械简介

1.2 国内外可重构机械系统的研究现状及发展趋势

1.3 可重构机械系统的分类

1.4 研究的目的和意义

1.5 本文研究的主要内容

第二章 球面可调机构容错重构研究

2.1 球面机构

2.2 球面五杆机构的位置正解

2.3 球面五杆机构的位置反解

2.4 球面五杆机构容错重构

2.5本章小结

第三章 可重构容错探测车的设计与仿真

3.1 探测车的结构设计

3.2 探测车的容错重构变形策略

3.3 探测车的容错重构规划

3.4 探测车腿式行走步态及关节轨迹规划

3.5 可重构探测车的仿真研究

3.6 本章小结

第四章 可重构容错混联机床的研究

4.1 混联机床的构型

4.2 混联机床的故障模式分析

4.3混联机床的容错纠错设计

4.4机械系统可重构方案

4.5 混联机床的重构规划算法

4.6 基于ADAMS软件的仿真研究

4.7本章小结

第五章 基于DSP的可重构机械系统调控方法的研究

5.1 控制器的选择

5.2 驱动电机控制器的设计

5.3 电机的选择

5.4 硬件电路及器件选择

5.5 基于DSP开发环境CCS的软件设置

5.6 PID控制

5.7 本章小结

第六章 结束语

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果