氣缸-氣動肌肉并聯(lián)平臺位姿控制研究.pdf

1、由于具有功率質(zhì)量比大、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、清潔無污染、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，氣動伺服并聯(lián)平臺在仿生及工業(yè)機(jī)器人、醫(yī)療康復(fù)機(jī)構(gòu)、減震平臺等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用背景。但由于氣動伺服系統(tǒng)的剛度較低，且具有明顯的非線性特性，實(shí)現(xiàn)對氣動伺服并聯(lián)平臺的位姿軌跡跟蹤控制仍是目前氣動伺服技術(shù)研究的一個(gè)重要方向。本論文以三自由度氣缸-氣動肌肉并聯(lián)平臺為研究對象，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動平臺高精度位姿軌跡跟蹤控制為主要目標(biāo)，使用理論-仿真-實(shí)驗(yàn)三者相結(jié)合的研究方法，首先對該氣動并

2、聯(lián)平臺系統(tǒng)進(jìn)行精確的建模分析，進(jìn)而深入研究該氣動伺服并聯(lián)平臺的位姿軌跡跟蹤控制策略和多平臺同步控制方法。
　　為實(shí)現(xiàn)氣動伺服并聯(lián)平臺的高精度軌跡跟蹤控制，本論文首先對氣動肌肉的力學(xué)特性進(jìn)行了建模分析和試驗(yàn)研究，進(jìn)而設(shè)計(jì)了動態(tài)剛度與平臺位姿控制相互分離的三自由度氣缸-氣動肌肉并聯(lián)平臺，在仿真模型上進(jìn)行了基于反步法的自適應(yīng)魯棒控制器設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)并聯(lián)平臺無運(yùn)動學(xué)正解解析解的特點(diǎn)，首先設(shè)計(jì)了位姿解算器根據(jù)氣動肌肉長度對運(yùn)動平臺位

3、姿進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)值求解計(jì)算，進(jìn)而在工作空間中設(shè)計(jì)了積分式自適應(yīng)魯棒控制器對運(yùn)動平臺進(jìn)行軌跡跟蹤控制。同時(shí)，在關(guān)節(jié)空間中將交叉耦合控制策略和自適應(yīng)魯棒控制理論相結(jié)合，設(shè)計(jì)了積分式交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器完成對并聯(lián)平臺的位姿軌跡跟蹤控制。實(shí)驗(yàn)證明，兩種控制器均有較高的位姿軌跡跟蹤控制精度，同時(shí)具有在線參數(shù)辨識能力和控制魯棒性。此外針對多個(gè)相同結(jié)構(gòu)并聯(lián)平臺的同步控制需求，本文設(shè)計(jì)了分體式交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器以減小同步控制誤差并增加控制器柔性。

4、
　　本論文分為七個(gè)章節(jié)，現(xiàn)將各章內(nèi)容分述如下:
　　第一章，詳細(xì)闡述了課題的研究背景，指出氣缸-氣動肌肉的高精度位姿軌跡跟蹤控制及多平臺位姿同步控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和研究價(jià)值;簡要總結(jié)了氣動伺服控制領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀;最后概括了本課題的研究意義、研究難點(diǎn)和主要研究內(nèi)容。
　　第二章，對氣動肌肉的力學(xué)特性進(jìn)行了分析，在力學(xué)測試實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上提出了對現(xiàn)有力學(xué)模型的修正方式，并通過填充金屬絲的方式減小氣動肌肉的慢時(shí)變特性。在此

5、基礎(chǔ)上，本章設(shè)計(jì)了氣缸-氣動肌肉并聯(lián)伺服平臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)、氣路系統(tǒng)和伺服控制器，完成結(jié)構(gòu)上的參數(shù)匹配，并選擇合適的元器件搭建了氣動并聯(lián)平臺伺服系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。
　　第三章，首先對氣缸-氣動肌肉并聯(lián)平臺的動力學(xué)特性與各控制閥和執(zhí)行器進(jìn)行建模分析，并在MATLAB/Simulink中搭建仿真模型進(jìn)行仿真分析。在此基礎(chǔ)上，本文采用氣缸與氣動肌肉控制相對獨(dú)立的控制策略，針對氣動肌肉強(qiáng)耦合、高度非線性的力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)魯棒控制器對并聯(lián)平臺

6、進(jìn)行位姿軌跡跟蹤控制。仿真結(jié)果證明該控制器能夠獲得高精度的平臺位姿控制效果，并且具有在線參數(shù)辨識能力和控制魯棒性。
　　第四章，由于所控制并聯(lián)平臺無運(yùn)動學(xué)正解解析解，首先設(shè)計(jì)了基于擬牛頓法的運(yùn)動平臺位姿解算器，并在仿真實(shí)驗(yàn)中證明其有效性。根據(jù)氣動肌肉的慢時(shí)變力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了積分式直接-間接自適應(yīng)魯棒控制器，在間接自適應(yīng)觀測部分使用最小二乘自適應(yīng)觀測器對未建模力學(xué)特性參數(shù)進(jìn)行在線辨識，并對所設(shè)計(jì)控制器進(jìn)行了穩(wěn)定性理論證明。在實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)

7、證了所設(shè)計(jì)積分式自適應(yīng)魯棒控制器和自適應(yīng)觀測器的有效性;將其與傳統(tǒng)自適應(yīng)魯棒控制器的控制效果相對比，得出所設(shè)計(jì)控制器具有較高控制精度的結(jié)論，并對控制器的普遍適用性和魯棒性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　第五章，為避免使用會占用較多控制器計(jì)算資源的位姿解算器，在關(guān)節(jié)空間中設(shè)計(jì)了一種積分式交叉耦合直接-間接自適應(yīng)魯棒控制器，根據(jù)交叉耦合控制策略使用同步誤差替代關(guān)節(jié)空間位姿誤差，設(shè)計(jì)最小二乘法在線參數(shù)辨識觀測器進(jìn)行觀測和補(bǔ)償，并對所設(shè)計(jì)控制器的穩(wěn)

8、定性進(jìn)行了理論證明。為驗(yàn)證控制器各部分有效性，設(shè)計(jì)了一系列控制器并在實(shí)驗(yàn)中對其軌跡跟蹤控制性能加以測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)積分式交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器具有很高的控制精度與較好的魯棒性，與其他控制器的對照實(shí)驗(yàn)可以證明交叉耦合控制策略及反饋積分項(xiàng)的有效性。
　　第六章，為提高多平臺同步位姿軌跡跟蹤控制中的同步控制精度，本章首先針對具有相同結(jié)構(gòu)的雙并聯(lián)平臺設(shè)計(jì)了雙平臺交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器，證明了所設(shè)計(jì)控制器的理論穩(wěn)定性，進(jìn)而使用

9、分體式設(shè)計(jì)原理設(shè)計(jì)了多平臺交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器。在仿真實(shí)驗(yàn)中對所設(shè)計(jì)雙平臺及多平臺控制器的有效性和交叉耦合控制策略的作用進(jìn)行了驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明，本章所設(shè)計(jì)的交叉耦合控制策略能夠顯著減小各平臺間的同步控制誤差;所設(shè)計(jì)交叉耦合自適應(yīng)魯棒控制器能夠?qū)纹脚_控制誤差及多平臺同步控制誤差進(jìn)行同時(shí)鎮(zhèn)定，并且具有自適應(yīng)參數(shù)辨識能力和控制魯棒性。
　　第七章，對本論文的主要工作內(nèi)容，研究結(jié)論和創(chuàng)新點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)，并對未來的研究工作和研究方