并聯(lián)機(jī)器人

前言

并聯(lián)機(jī)器人，又稱并聯(lián)機(jī)構(gòu)，由于其基座與末端執(zhí)行器之間具有環(huán)狀的閉鏈約束，使其具有運(yùn)動(dòng)慣量低、負(fù)載能力強(qiáng)、剛度大等優(yōu)點(diǎn)，從而使得并聯(lián)機(jī)器人逐漸成為機(jī)器人領(lǐng)域里的一個(gè)研究熱點(diǎn)。幾十年來，人們的主要精力大都放在并聯(lián)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析上。隨著對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的控制性能要求的不斷提高，僅通過機(jī)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析所得到的系統(tǒng)性能不再能夠滿足要求，這導(dǎo)致并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制研究的需求。與機(jī)構(gòu)學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)研究不同，動(dòng)力學(xué)控制是在機(jī)構(gòu)學(xué)設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析完成之后，基于已經(jīng)形成的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從系統(tǒng)控制的角度，根據(jù)某種控制理論，通過外加控制信號(hào)，對(duì)系統(tǒng)的被控變量進(jìn)行自動(dòng)控制，來實(shí)現(xiàn)所期望的系統(tǒng)性能。系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)控制的最大優(yōu)勢在于：不需要增加或改變?nèi)魏蜗到y(tǒng)結(jié)構(gòu)及硬件，僅在原系統(tǒng)已有的結(jié)構(gòu)和硬件基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)控制理論來設(shè)計(jì)出一套有效的控制策略，用軟件即可實(shí)現(xiàn)提高原系統(tǒng)性能的目標(biāo)。所以在對(duì)系統(tǒng)性能要求越來越高的今天，有關(guān)并聯(lián)機(jī)器人控制的研究也具有更加重要的理論與實(shí)際應(yīng)用的價(jià)值。本書就是一本專門針對(duì)進(jìn)一步提高并聯(lián)機(jī)器人控制性能，從系統(tǒng)控制的角度來進(jìn)行研究的專著。從機(jī)構(gòu)學(xué)分析和運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定開始入手，標(biāo)定出實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，以便建立準(zhǔn)確的系統(tǒng)模型。在建立系統(tǒng)模型的過程中，不僅考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)，還著重考慮影響系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性的動(dòng)力學(xué)參數(shù)，甚至是非線性變化的參數(shù)，并通過合理的分析與設(shè)計(jì)，加上全局優(yōu)化算法的運(yùn)用，提出一套可以將系統(tǒng)的全部參數(shù)同時(shí)辨識(shí)出的方法。在控制策略方面，本書針對(duì)并聯(lián)機(jī)器人自身所具有的特點(diǎn)，在人們常用的比例-微分（PD）控制器的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出非線性PD控制器，解決了模型中非線性特性對(duì)系統(tǒng)性能的影響，尤其在消除非線性摩擦力對(duì)系統(tǒng)性能影響方面，專門對(duì)不同情況下的摩擦力參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，并通過直接對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)償與消除來達(dá)到進(jìn)一步提高被控并聯(lián)機(jī)器人的控制性能的目的。本書還對(duì)并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行了非線性自適應(yīng)控制、主動(dòng)關(guān)節(jié)的同步控制，以及基于輪廓誤差的同步控制，分別從不同的角度，采用不同的方法來尋求不斷提高系統(tǒng)性能的控制策略。本書中所提出的所有控制策略均給出了詳細(xì)的分析與設(shè)計(jì)過程，以及相關(guān)的理論證明，并在實(shí)際系統(tǒng)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，且對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。有效地解決了并聯(lián)機(jī)器人中由機(jī)構(gòu)本身參數(shù)的不確定性、系統(tǒng)非線性及軌跡擾動(dòng)等因素引起的對(duì)系統(tǒng)性能的影響，極大地提高了并聯(lián)機(jī)器人的控制性能。本書是經(jīng)過多年對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的研究成果而集成的，其研究得到了國家自然科學(xué)基金（50375148，50905172），安徽省自然科學(xué)基金（090412040）的資助。實(shí)驗(yàn)研究中所用到的平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人是固高（深圳）科技有限公司生產(chǎn)的，所有實(shí)驗(yàn)也是在該公司里完成的，在此表示感謝。還要感謝的是參與本書中內(nèi)容研究的張耀欣博士、馮春時(shí)博士和本科畢業(yè)生馬翔。由于作者水平有限，本書不妥與不足之處在所難免，敬請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正。

內(nèi)容概要

　　本書以一個(gè)平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人為研究對(duì)象，系統(tǒng)地介紹了并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定、性能分析、動(dòng)力學(xué)建模及控制策略設(shè)計(jì)等問題?；谶\(yùn)動(dòng)學(xué)方程，從優(yōu)化的角度對(duì)并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的部分參數(shù)和全部參數(shù)進(jìn)行了自標(biāo)定；利用線性矩陣不等式（LMI）方法，對(duì)并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)進(jìn)行了分析和優(yōu)化；在建立理論動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出動(dòng)力學(xué)參數(shù)的實(shí)驗(yàn)辨識(shí)方法。從系統(tǒng)控制的角度出發(fā)，結(jié)合并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了包括增廣非線性PD、計(jì)算力矩非線性PD，以及非線性自適應(yīng)控制在內(nèi)的多種非線性動(dòng)力學(xué)控制策略，實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)器人的高精度軌跡跟蹤控制。采用同步運(yùn)動(dòng)控制理論，分別在關(guān)節(jié)空間和工作空間設(shè)計(jì)同步控制策略，進(jìn)一步減小軌跡跟蹤時(shí)的輪廓誤差，從而實(shí)現(xiàn)了并聯(lián)機(jī)器人的高速高精度運(yùn)動(dòng)控制。本書在闡述基本理論和所提方法的同時(shí)，基于實(shí)際并聯(lián)機(jī)器人平臺(tái)設(shè)計(jì)了大量的實(shí)驗(yàn)對(duì)理論和方法進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)的分析。因此，本書既適用于并聯(lián)機(jī)器人的理論研究，又適合指導(dǎo)并聯(lián)機(jī)器人的工程應(yīng)用?！　”緯瓤勺鳛闄C(jī)械工程、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)、信息科學(xué)、電子學(xué)等專業(yè)的研究生教材，也可作為從事并聯(lián)機(jī)器人研究與應(yīng)用的科研人員和工程技術(shù)人員的參考書。

書籍目錄

第1章概述1.1并聯(lián)機(jī)器人的基本概念與發(fā)展歷程1.2并聯(lián)機(jī)器人的研究現(xiàn)狀1.3平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人1.4《并聯(lián)機(jī)器人:建?？刂苾?yōu)化與應(yīng)用》的主要內(nèi)容第2章并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定2.1平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的標(biāo)定問題2.2基于優(yōu)化問題求解的平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定2.3基于兩步迭代法的平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)標(biāo)定2.4基于跟蹤誤差投影的平面二自由度2.5基于粒子群算法的平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)自標(biāo)定2.6本章小結(jié)第3章并聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)性能分析3.1線性矩陣不等式LMI簡介3.2LMI在并聯(lián)機(jī)器人常見運(yùn)動(dòng)學(xué)性能指標(biāo)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用3.3基于LMI的平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)3.4平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的力矩傳遞性能分析3.5本章小結(jié)第4章并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)建模及性能分析4.1并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模4.2平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模4.3平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)性能分析4.4本章小結(jié)第5章并聯(lián)機(jī)器人的典型控制策略5.1并聯(lián)機(jī)器人的典型控制策略5.2并聯(lián)機(jī)器人的最優(yōu)控制器設(shè)計(jì)5.3平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人典型控制策略的仿真實(shí)驗(yàn)5.4本章小結(jié)第6章并聯(lián)機(jī)器人的非線性PD控制及摩擦力補(bǔ)償6.1非線性PD控制6.2平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的增廣NPD控制6.3平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的計(jì)算力矩NPD控制6.4平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的非線性摩擦力補(bǔ)償6.5本章小結(jié)第7章并聯(lián)機(jī)器人的非線性自適應(yīng)控制7.1平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的參數(shù)化形式7.2平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的非線性自適應(yīng)控制器設(shè)計(jì)7.3平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的非線性自適應(yīng)控制實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析7.4本章小結(jié)第8章并聯(lián)機(jī)器人的同步控制8.1平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的主動(dòng)關(guān)節(jié)同步控制8.2平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的工作空間同步控制8.3本章小結(jié)參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：為了實(shí)現(xiàn)平面二自由度并聯(lián)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)自標(biāo)定，前面三節(jié)中設(shè)計(jì)了多種標(biāo)定方法，并且對(duì)優(yōu)化函數(shù)進(jìn)行了專門的研究，但是優(yōu)化方法采用的都是MATLAB提供的優(yōu)化函數(shù)fmincon，該函數(shù)只能實(shí)現(xiàn)局部搜索，容易陷入局部極值而不能得到令人滿意的優(yōu)化結(jié)果?，F(xiàn)代優(yōu)化算法中，有一類特殊的優(yōu)化算法，不同于經(jīng)典的優(yōu)化搜索（如共軛梯度法），它們對(duì)目標(biāo)函數(shù)的連續(xù)性沒有依賴，基本上不用搜索空間的知識(shí)和其他輔助信息，只需要知道目標(biāo)函數(shù)的評(píng)估適應(yīng)度，并通過群體中個(gè)體解的信息交互以及個(gè)體自身的變異來不斷推動(dòng)尋優(yōu)的進(jìn)行。由于或多或少受到自然界中生命現(xiàn)象的啟發(fā)，故人們稱它們?yōu)樽匀凰惴?。這一類算法中包括遺傳算法、遺傳編程、基因表達(dá)編程、粒子群算法、蟻群算法等。由于是基于群體的搜索算法，因此這類算法具有內(nèi)在的并行性，這大大提高了搜索效率。另外，個(gè)體之間有信息交互，同時(shí)也以一定的概率對(duì)自身進(jìn)行變異，因此大大提高了跳出局部極值的能力。到目前為止，自然算法作為有效的全局優(yōu)化方法，在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在這一大類算法中，粒子群算法因其實(shí)現(xiàn)簡單、計(jì)算量小、參數(shù)少等優(yōu)點(diǎn)正受到越來越多關(guān)注。也因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn)，我們最終選取粒子群算法作為本節(jié)并聯(lián)機(jī)器人標(biāo)定問題當(dāng)中的全局優(yōu)化算法。

編輯推薦

《并聯(lián)機(jī)器人:建?？刂苾?yōu)化與應(yīng)用》由電子工業(yè)出版社出版。

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