1、何景峰何景峰 2014-03-04哈工大哈工大 機(jī)電學(xué)院機(jī)電學(xué)院流體控制及自動(dòng)化系流體控制及自動(dòng)化系 內(nèi)容目錄內(nèi)容目錄1. 冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)研究現(xiàn)狀2. 冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的控制3. 冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀 冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀并聯(lián)機(jī)構(gòu)并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)伸縮支腿伸縮支腿固定平臺(tái)固定平臺(tái)關(guān)節(jié)鉸關(guān)節(jié)鉸 冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀Gough-Stewart機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu) 六邊形六邊形六邊形六邊形 冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀

2、運(yùn)動(dòng)模擬運(yùn)動(dòng)模擬vs.穩(wěn)定穩(wěn)定振動(dòng)模擬振動(dòng)模擬vs.振動(dòng)隔離振動(dòng)隔離 冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu) 8個(gè)支腿個(gè)支腿6自由度自由度驅(qū)動(dòng)數(shù)目驅(qū)動(dòng)數(shù)目自由度數(shù)目自由度數(shù)目 冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu) 冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)的應(yīng)用 日本國家地球科學(xué)與防災(zāi)研究院 冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀冗余驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀當(dāng)前研究現(xiàn)狀當(dāng)前研究現(xiàn)狀 1）動(dòng)力學(xué)模型）動(dòng)力學(xué)模型2

3、）內(nèi)力求解）內(nèi)力求解(采用優(yōu)化方法采用優(yōu)化方法)3）消除奇異性（）消除奇異性（數(shù)值方法數(shù)值方法）4）控制方法（）控制方法（計(jì)算力矩控制計(jì)算力矩控制+內(nèi)力控制內(nèi)力控制）5）內(nèi)力的利用（）內(nèi)力的利用（剛度調(diào)節(jié)、消除機(jī)構(gòu)間隙剛度調(diào)節(jié)、消除機(jī)構(gòu)間隙） 動(dòng)力學(xué)建模動(dòng)力學(xué)建模 動(dòng)力學(xué)建模動(dòng)力學(xué)建模機(jī)構(gòu)簡圖機(jī)構(gòu)簡圖bZa) 正視圖正視圖 b)俯視圖俯視圖圖圖2-1 冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)示意圖冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)示意圖brardrur7A8A9A7B8B9B7896A1B1A5A4A3A2ladpO2A2B3B4B5B6BbdbrarpXpYpYpXbXbYpZ3B2B4B5B1B6BbO2l456123123456

4、 單剛體單剛體動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)動(dòng)力學(xué)建模動(dòng)力學(xué)建模IIfLRAppanptgfL ppanmm牛頓方程：牛頓方程：歐拉方程：歐拉方程： (2-20) qGqqq,CqqMfqJpppaTlq qMpqqq,Cp qGp慣量矩陣（慣量矩陣（Inetia matrix），），66科氏力和向心力項(xiàng)（科氏力和向心力項(xiàng)（Coriolis，centripetal force），），61重力項(xiàng)（重力項(xiàng)（Gravity），），61寫成標(biāo)準(zhǔn)形式：寫成標(biāo)準(zhǔn)形式： 多剛體多剛體動(dòng)力學(xué)建模方法動(dòng)力學(xué)建模方法pOrcvaivrcq qa,Jarc,Jtcvtcart,JlqJ1423Kane方程：方程：0* ff動(dòng)力學(xué)建模

5、動(dòng)力學(xué)建模 多剛體動(dòng)力學(xué)模型多剛體動(dòng)力學(xué)模型 qGqq,CqqMfqJsssaTlq 91q ,a,ibia,mrTq ,aps)(iiiiiJMMJqMqM91iiib,ia,imr,q ,aiib,ia,imr,Ti ,apsii,i2aPMMqJCCJqqqCqq,C 91atarTqai,psiGGJqGqG其中，其中，質(zhì)量陣：質(zhì)量陣：科氏力項(xiàng)：科氏力項(xiàng)：重力項(xiàng)：重力項(xiàng)：動(dòng)力學(xué)建模動(dòng)力學(xué)建模支腿慣性項(xiàng)支腿慣性項(xiàng) 液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)模型1p2p1Q2QvxsP0Pl伺服閥伺服閥液壓缸液壓缸LcvqLPKxKQLtLtcL4PVPClAQelBfAPcaL伺服閥流量方程：伺服閥流

6、量方程：流量連續(xù)性方程：流量連續(xù)性方程：力平衡方程：力平衡方程：動(dòng)力學(xué)建模動(dòng)力學(xué)建模 整體動(dòng)力學(xué)模型整體動(dòng)力學(xué)模型冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)冗余驅(qū)動(dòng)并聯(lián)機(jī)構(gòu)多剛體動(dòng)力學(xué)多剛體動(dòng)力學(xué)9套套液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)出出力力速速度度 閥芯位移閥芯位移動(dòng)力學(xué)建模動(dòng)力學(xué)建模 整體動(dòng)力學(xué)模型整體動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)建模動(dòng)力學(xué)建模qq,Cs qGs qJTlq qM1ss1 qJlqlaf+ +- - -q q As1rCcBA- - -+ +tcC- -LQcK- -qKvx+ + + +LP液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)多剛體系統(tǒng)多剛體系統(tǒng) 可視化動(dòng)力學(xué)模型可視化動(dòng)力學(xué)模型動(dòng)力學(xué)建模動(dòng)力學(xué)建模 減少或消除機(jī)構(gòu)奇異性

7、減少或消除機(jī)構(gòu)奇異性 機(jī)構(gòu)奇異性機(jī)構(gòu)奇異性qJllqfJFTlq速度傳遞：速度傳遞：力傳遞：力傳遞：0lqJ奇異：奇異：fFq l機(jī)構(gòu)雅克比矩陣奇異！機(jī)構(gòu)雅克比矩陣奇異！6)(lqJrank消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 機(jī)構(gòu)奇異性機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 Hunt奇異奇異重力重力A軸軸D0D消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 奇異位形實(shí)驗(yàn)奇異位形實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：1 1，當(dāng)接近上述位形時(shí)，很小的缸位移，平臺(tái)姿態(tài)變化很大；，當(dāng)接近上述位形時(shí)，很小的缸位移，平臺(tái)姿態(tài)變化很大；2 2，在達(dá)到上述位形時(shí)，平臺(tái)不受支腿控制，會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)，在達(dá)到上述位形時(shí)，平臺(tái)不受支腿控制，會(huì)發(fā)生翻轉(zhuǎn)消除機(jī)構(gòu)

8、奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 奇異時(shí)的機(jī)構(gòu)特性奇異時(shí)的機(jī)構(gòu)特性-200-150-100-50050100-25-20-15-10-50510152025Displacements of Legs (mm)Forces of Legs (KN)1234562.3噸！噸！支腿受力變化支腿受力變化遠(yuǎn)大于平臺(tái)和負(fù)載總重遠(yuǎn)大于平臺(tái)和負(fù)載總重消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 奇異曲面奇異曲面 0lqJ消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性02019181721615214131221131029283726524232231fzfyfxfzfyzfyfxzfxyfxfzfyzfzyfyfxzfxyzfxyfzxfyxfxfz

9、, y, xF (3-1) 奇異曲面奇異曲面 消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 工作空間工作空間 位置工作空間位置工作空間消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 工作空間與奇異曲面工作空間與奇異曲面 消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性工作空間工作空間 工作空間與奇異曲面工作空間與奇異曲面 消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 無奇異的路徑規(guī)劃與控制（無奇異的路徑規(guī)劃與控制（避開避開）消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性增加冗余驅(qū)動(dòng)（增加冗余驅(qū)動(dòng)（減少或消除減少或消除）克服奇異性克服奇異性 無奇異的路徑規(guī)劃與控制無奇異的路徑規(guī)劃與控制消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 冗余方式一：冗余方式一：將被動(dòng)關(guān)節(jié)變?yōu)橹鲃?dòng)關(guān)節(jié)將被動(dòng)關(guān)節(jié)變?yōu)橹鲃?dòng)關(guān)節(jié)

10、消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性被動(dòng)關(guān)節(jié)被動(dòng)關(guān)節(jié) 主動(dòng)關(guān)節(jié)主動(dòng)關(guān)節(jié)增加驅(qū)動(dòng)增加驅(qū)動(dòng) 冗余方式二：冗余方式二：增加冗余支腿增加冗余支腿重力重力A軸軸d0d 冗余支腿冗余支腿消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性 冗余支腿的布置冗余支腿的布置JJKT消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性T10.74-00.0500.70v9.25.864.831.480.6820diagD0 增加冗余支腿增加冗余支腿1v消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性T10.74-00.0500.70v 關(guān)鍵冗余支腿關(guān)鍵冗余支腿消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性增加增加3條條冗余支腿冗余支腿 工作空間搜索工作空間搜索消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性024681012

11、141601234567x 1013極 限 位 姿 序 號(hào)K矩陣條件數(shù)趨于無窮！趨于無窮！ 工作空間搜索工作空間搜索消除機(jī)構(gòu)奇異性消除機(jī)構(gòu)奇異性工作空間內(nèi)的雅克比矩陣條件數(shù)02468101214167891011121314151617極 限 位 姿 序 號(hào)K矩陣條件數(shù) 內(nèi)力控制內(nèi)力控制 機(jī)構(gòu)力變換關(guān)系機(jī)構(gòu)力變換關(guān)系FfJaTlq afFTlqJ平臺(tái)上的力平臺(tái)上的力支腿力支腿力內(nèi)力控制內(nèi)力控制 機(jī)構(gòu)內(nèi)力及其求解機(jī)構(gòu)內(nèi)力及其求解 amTlqTlqTlqafJJIFJfFfJaTlq 內(nèi)力控制內(nèi)力控制機(jī)構(gòu)內(nèi)力機(jī)構(gòu)內(nèi)力通解：通解：0fJinTlq amTlqTlqinfJJIfFFJJTlqTlq

12、內(nèi)力控制內(nèi)力控制 TlqTlqJJIN LinNAPf 內(nèi)力控制內(nèi)力控制 內(nèi)力控制仿真結(jié)果內(nèi)力控制仿真結(jié)果00.20.40.60.811.21.41.61.82-5000-4000-3000-2000-100001000200030004000Time(s)Internal force (N)00.20.40.60.811.21.41.61.82-5000-4000-3000-2000-100001000200030004000Time(s)Internal force (N) a)內(nèi)力控制前內(nèi)力控制前 b) 內(nèi)力控制后內(nèi)力控制后 內(nèi)力控制內(nèi)力控制 剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié) 繞Y旋轉(zhuǎn)平移運(yùn)

13、動(dòng)平移運(yùn)動(dòng)平移耦合旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié) 100101-60-50-40-30-20-100頻 率 (Hz)幅度 (dB)1 2 3 4 5 6 1Y;2X rotation自由度間耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果自由度間耦合實(shí)驗(yàn)結(jié)果剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié) Gough-Stewart機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性機(jī)構(gòu)的對(duì)稱性剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)T654321aaaaaaA 解析剛度表達(dá)式解析剛度表達(dá)式剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)21z21y21x1xyn1,1yxn1,21y21x1xyn1,1yxn1,2zn1,1xyn1,1yxn1,2yn1,2xn1,1xyn1,1yxn1,2yn1,2x

14、n1,2000000)(000)l(l00)(0)l(l00002l0000)l(l0)l(l00)l(l000)l(lvvvvvvvvvvvvvKstewart 解耦條件解耦條件剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)01xyn1,1yxn1,vlvl21z21y21x1xyn1,1yxn1,21y21x1xyn1,1yxn1,2zn1,1xyn1,1yxn1,2yn1,2xn1,1xyn1,1yxn1,2yn1,2xn1,2000000)(000)l(l00)(0)l(l00002l0000)l(l0)l(l00)l(l000)l(lvvvvvvvvvvvvvKstewart解耦條件：解耦條件： 剛度

15、解耦剛度解耦剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)21z21y21x21y21x2zn1,2yn1,2xn1,2yn1,2xn1,stewart2000000)(000000)(0000002l000000)l(l000000)l(lKvvvvv 解耦條件與解耦點(diǎn)位置解耦條件與解耦點(diǎn)位置剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)圖 5-4 6-6 Gough-Stewart機(jī)構(gòu)的剛度解耦點(diǎn)HLrrrhhXOY2baa)p(cos- , ,剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)特殊結(jié)構(gòu)的解耦點(diǎn)位置特殊結(jié)構(gòu)的解耦點(diǎn)位置解耦點(diǎn)解耦點(diǎn)解耦點(diǎn)解耦點(diǎn)支腿支腿 圖 5-5 3條冗余支腿的解耦點(diǎn)剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)3條冗余支腿的解耦點(diǎn)

16、條冗余支腿的解耦點(diǎn)解耦點(diǎn)解耦點(diǎn) 圖 5-6 具有3條冗余支腿的Gough-Stewart機(jī)構(gòu)的剛度解耦點(diǎn)剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)冗余機(jī)構(gòu)的解耦點(diǎn)冗余機(jī)構(gòu)的解耦點(diǎn)解耦點(diǎn)解耦點(diǎn) 被動(dòng)剛度被動(dòng)剛度 vs. 主動(dòng)剛度主動(dòng)剛度qFK總剛度總剛度paKKKlqhTlqaTlqJKJfqJK剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)主動(dòng)剛度主動(dòng)剛度被動(dòng)剛度被動(dòng)剛度 TlqJTlqJTlqJzTlqJ主動(dòng)剛度主動(dòng)剛度aTlqafqJK剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)Heisson矩陣矩陣yTlqJxTlq J 剛度調(diào)節(jié)剛度調(diào)節(jié)1 . 600000045. 10004 . 10045. 104 . 10000.13700004 . 108.56004 . 1-0008.56pK剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)被動(dòng)剛度被動(dòng)剛度 剛度調(diào)節(jié)剛度調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)剛度分析與調(diào)節(jié)主動(dòng)剛度主動(dòng)剛度.2400000003.400001 . 0003.4001 . 00000028. 000001 . 000.014-001 . 00000.014-aKaTlqafqJK 剛度調(diào)節(jié)剛度調(diào)節(jié)4.360000008