三自由度电液伺服机械臂运动控制策略研究及其实现

摘要

多自由度电液伺服机械臂以其驱动功率密度大、承受载荷大（超过1吨）、耐高温、耐高压和耐腐蚀等特点，广泛应用于核能、石油化工和冶金铸造等行业中。然而，多自由度电液伺服机械臂的运动控制因涉及到机械臂运动学及动力学特性、液压伺服系统非线特性、定位反馈控制特性、运动曲线的平滑性和能耗特性等一系列问题，不易实时检测与补偿，一直是机械臂应用过程中的难点，如何有效地提升电液伺服机械臂运动控制的精确化，平稳化和高速化性能，已成为该领域亟待解决的问题之一。
　　本文以三自由度重载型电液伺服机械臂为研究对象，主要开展并完成了以下几部分的研究工作:
　　(1)针对机械臂TCP(Tool Coordination Point，工具坐标中心点)的轨迹规划问题，首先，基于解析法建立了机械臂的闭链矢量运动学模型，描述了机械臂TCP位置与各液压执行器输出位置的关系;其次，引入5阶B样条曲线插值方法，构造了机械臂TCP在空间任意两点间的运动轨迹，并给出了获得此运动轨迹的推拉、俯仰和回转执行器位置信号;然后，引入改进粒子群优化算法和时间最优规划目标函数，优化了空间任意两点间运动实现的轨迹和各执行器位置信号;最后，通过相关系统仿真实验研究，验证了提出的轨迹规划算法的有效性。
　　(2)以机械臂轨迹规划导出的推拉和俯仰执行器位置信号为指令输入，开展推拉和俯仰电液伺服驱动系统运动控制。首先，引入经典电液伺服理论，建立了单通道和双通道的非对称阀控非对称缸数学模型;其次，基于模糊-PID控制理论，提出了推拉单缸驱动系统的运动控制方法;然后，基于非线性动态逆(NDI)控制理论，提出俯仰双缸同步驱动系统的运动控制方法;最后，通过经典PID控制和所提出控制方法的仿真实验对比研究，验证了所述控制方法具有更好的跟踪响应性能和同步驱动性能。
　　(3)以机械臂轨迹规划导出的回转执行器位置信号为指令输入，开展机械臂回转电液伺服驱动系统运动控制。首先，引入齿轮啮合弹性动力学理论和非线性阀控液压马达模型，详细建立了机械臂双马达回转同步驱动系统数学模型;其次，基于迭代学习算法(IL)，提出了双马达回转同步驱动系统的IL-PID同步控制策略;最后，通过经典PID控制和IL-PID同步控制策略的仿真实验对比研究，验证了所述控制策略具有更好的系统跟踪和同步驱动性能。
　　(4)针对机械臂的实际应用问题，首先，通过机械系统、液压系统和电气控制系统设计，搭建了3DOF电液伺服机械臂实验平台;其次，针对机械臂具体运动控制实现，分别对推拉、俯仰和回转系统开展了运动控制实现实验，并与相应仿真结果进行对比分析，验证了所提出驱动控制算法的有效性;最后，开展空载和负载工况下基于TCP的机械臂整机运动轨迹控制实现实验，并与相应仿真结果进行对比分析，验证了所提出轨迹优化算法和驱动控制策略的有效性。
　　实际应用的实验结果显示:工具中心点(TCP)轨迹比期望轨迹的球面绝对误差小于2.5mm。本文采用的方法所规划的机械臂轨迹相对平滑，利于机械臂控制，算法具有实用价值。

目录

声明

摘要

1．1 课题背景与意义

1．2 相关关键技术的国内外研究现状

1．2．1 多自由度机械臂运动学模型研究现状

1．2．2 多自由度机械臂运动规划研究现状

1．2．3 机械臂液压同步运动控制技术研究现状

1．3 本文研究内容和结构

1．3．1 研究内容

1．3．2 论文结构

第2章 三自由度电液伺服机械臂系统搭建

2．1 三自由度电液伺服机械臂系统工作原理分析

2．1．1 工作原理

2．1．2 系统主要技术要求

2．2 三自由度电液伺服机械臂系统总体设计

2．2．1 机械系统设计

2．2．2 电液系统设计

2．2．3 电气控制系统设计

2．3 三自由度电液伺服机械臂系统关键元器件选型

2．4 本章小结

第3章 三自由度机械臂运动轨迹规划研究

3．1 机械臂坐标建立

3．2 三自由度机械臂运动学建模

3．2．1 基于D-H法的运动学建模

3．2．2 基于解析法的运动学建模

3．3 机械臂轨迹规划算法及优化

3．3．1 基于笛卡尔空间的三自由度机械臂轨迹规划研究

3．3．2 基于关节空间的三自由度机械臂轨迹规划研究

3．3．3 基于改进型粒子群的轨迹优化方法

3．4 三自由度机械臂运动轨迹规划仿真实验研究

3．5 小结

第4章 机械臂推拉及俯仰系统控制研究

4．1 机械臂推拉系统运动控制研究

4．1．1 机械臂推拉系统数学建模

4．1．2 机械臂推拉系统控制算法

4．2 机械臂俯仰系统同步运动控制研究

4．2．1 机械臂俯仰系统数学建模

4．2．2 机械臂俯仰系统同步控制算法

4．3 机械臂推拉和俯仰系统运动控制仿真及实验研究

4．3．1 推拉系统运动控制仿真及实验研究

4．3．2 俯仰系统运动控制仿真及实验研究

4．4 小结

第5章 机械臂回转系统同步控制研究

5．1 机械臂回转系统数学建模

5．1．1 单通道阀控马达数学建模

5．1．2 机械臂回转系统数学建模

5．2 机械臂回转系统同步控制策略研究

5．2．1 机械臂回转系统同步控制基础

5．2．2 机械臂回转系统同步控制算法

5．3 机械臂回转系统同步控制仿真研究

5．4 小结

第6章 三自由度机械臂综合实验研究

6．1 三自由度机械臂实验台搭建

6．1．1 硬件系统搭建

6．1．2 软件实现

6．2 三自由度机械综合实验研究

6．2．1 推拉系统运动控制实验研究

6．2．2 俯仰系统运动控制实验研究

6．2．3 回转系统运动控制实验研究

6．2．4 机械手综合运动控制实验研究

6．3 小结

第7章 结论与展望

7．1 论文总结

7．2 论文创新点

7．3 研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

致谢