1、20152015年年年年3 3月月月月多自由度并联机构分析多自由度并联机构分析多自由度并联机构分析多自由度并联机构分析与控制与控制与控制与控制哈尔滨工业大学Harbin Institute of Technology 课程基本情况课程基本情况中文名称：中文名称：中文名称：中文名称：多自由度并联机构分析与控制多自由度并联机构分析与控制多自由度并联机构分析与控制多自由度并联机构分析与控制英文名称英文名称英文名称英文名称：Multi-Degree of Freedom Parallel MechanismMulti-Degree of Freedom Parallel Mechanism Analy
2、sis and Control Analysis and Control 任课教师：任课教师：任课教师：任课教师：姜洪洲姜洪洲姜洪洲姜洪洲联系方式：联系方式：联系方式：联系方式：上课学时：上课学时：上课学时：上课学时：3 32 2考核方式：研究报告考核方式：研究报告考核方式：研究报告考核方式：研究报告(50%)+(50%)+报告展示报告展示报告展示报告展示(50%)(50%)参考教材参考教材黄真，并联机器人机构学理论及控制,机械工业出版社.1997 黄真个人简况：1959年毕业于哈尔滨工业大学机械工艺专业，现任燕山大学机械工程学院教授，博士生导师。我国最早的一位从事并联机器人研究的学者。黄真教
3、授黄真教授著作作者著作作者 参考教材参考教材液压6-DOF并联机器人操作手运动和力控制的研究.河北大学出版社.2001河北大学校长 王洪瑞教授单通道控制！参考教材参考教材J-P.Merlet.Parallel Robots(second edition),Springer,2006 J-P.Merlet著作作者著作作者http:/www-sop.inria.fr/members/Jean-Pierre.Merlet/merlet_eng.html 法国国家信息与自动化研究所（INRIA）参考教材参考教材G.Gogu.Structural Synthesis of Parallel Robots
4、,Springer,2006罗马尼亚人现为法国某大学教授硕士学位：机床动力学；博士学位：机器人；Grigore Gogu 参考教材参考教材McGill University加拿大蒙特利尔加拿大蒙特利尔 IFToMM,the InternationalFederation for the Promotion of Mechanism and Machine Science并联机构介绍并联机构介绍并联机构介绍并联机构介绍哈尔滨工业大学Harbin Institute of TechnologyParallel mechanisms:an introduction 绪论内容绪论内容1.1并联机构定义
5、、结构与组成1.2并联机构的提出与发展历史1.3并联机构的特点1.4并联机构的应用1.5并联机构的资源 串联机构串联机构Selective Compliant Assembly Robot ArmSCARAIn 1981,Sankyo Seiki,Pentel and NEC presented a completely new concept for assembly robots 串联机构串联机构SCARAbase 1.1 并联机构定义、结构与组成并联机构定义、结构与组成并联机构并联机构（Parallel Mechanism，简称PM）并联机构实例并联机构实例一个公共的平台，通过几个支腿与
6、基础平台相连。一个公共的平台，通过几个支腿与基础平台相连。即动平台和定平台之间通过至少两个独立的运动链相连接，机构具有两个或两个以上自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构。Merlet 1.1 并联机构定义、结构与组成并联机构定义、结构与组成移动平台移动平台(End-effector)上铰上铰支腿支腿(strut)下铰下铰固定平台固定平台(Base)并联机构的例子并联机构的例子P移动副（Prismatic）R旋转副（Rotational）S球面副（Spherical）U万向铰、虎克铰（Universal）并联机构的例子并联机构的例子6-RUS6-RUS 并联机构的例子并联机构的例子 并联机构的
7、例子并联机构的例子摘自：M.L.Husty.Algebraic methods in mechanisms analysis and synthesisManfred Husty 奥地利、Innsbruck大学 典型并联机构典型并联机构Gough-Stewart平台 典型并联机构典型并联机构基于Gough-Stewart平台的坦克运动模拟器视频 The True Origins of Parallel RobotsIlian Bonev博士论文：博士论文：GEOMETRIC ANALYSIS OF PARALLEL MECHANISMS2002,LAVAL UNIVERSITY1.2 并联机构
8、提出与历史并联机构提出与历史 雷恩雷恩，克里斯托弗：雷恩，克里斯托弗：(1632-1723)英国建筑师英国建筑师剑桥大学的三一学院雷恩图书馆剑桥大学的三一学院雷恩图书馆(1676-1684年）年）圣保罗大教堂圣保罗大教堂(1675-1710年）年）Christopher Wren1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 柯西（17891857）法國數學家。）法國數學家。八面体研究八面体研究Cauchy18131.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 动感影院早期设想走在时代前面1928 by J.E.Gwinnet1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 第一个并联机器人（工业机器
9、人）The first spatial industrial parallel robot,patented in 1942(US Patent No.2,286,571).Willard L.G.Pollard Jr 1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 GoughGough tire-testing machine1947年，英国Eric Gough博士1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 振动台1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 振动台最早的使用者John Milne大森房吉大森房吉(Omori Fusakichi，1868-1923)日本明治时期地震学家。18
10、94年留学意大利、德国，1897年回国后任帝大教授，为日本地震学创始者，发现地震带，设计地震计，编集地震资料，对日本的地震学很有贡献。英格兰人。和同事共同发明了第一台能够精确测量地震强度的测震仪。米尼在当时的大不列颠王国内的许多地方共设立了27个测量地震的测量仪器网。直到1913年米尼逝世，全世界已经建立了40个用来监测地震发生的观测站。大森房吉大森房吉约翰约翰 米尼米尼1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 Stewart平台Stewart D.A platform with 6 degrees of freedom.Proc.of the Institution of mechani
11、cal engineers,180(Part 1,15):371386,1965.引用次数：引用次数：1200次次1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 Stewart平台1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 Cappel,K.L.1960s by Cappel for helicopter simulator1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 振动台1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 专利US3295224http:/ 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 Cappel,K.L.1960s by Cappel f
12、or helicopter simulator1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 K.H.Hunt(1920-2002)澳大利亚莫那什大学机构学教授澳大利亚莫那什大学机构学教授 提出将并联机构用于机器人领域提出将并联机构用于机器人领域1990,Oxford University Press(Oxford,New York)1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 K.H.Hunt发表串并发表串并对偶性对偶性文章文章Series-parallel Dualities in Actively Coordinated MechanismsKenneth J.Waldron Kennet
13、h H.HuntOhio State University Monash UniversityColumbus,Ohio,U.S.A.Clayton,Victoria,AustraliaIt will be demonstrated that there is a deep symmetry between serial chain manipulators and fully parallel systems such as the Stewart platform.1.2 并联机构提出与历史并联机构提出与历史 r2转动能力转动能力 并联机构设计并联机构设计转动角度小转动角度小转动角度大转动
14、角度大转动能力转动能力 并联机构设计并联机构设计横向刚度差横向刚度差横向刚度好横向刚度好刚度刚度 并联机构设计并联机构设计台子比较高台子比较高台子变矮后台子变矮后固有频率固有频率 横向频宽一般要低于其他自横向频宽一般要低于其他自由度频宽，而矮结构可以缓由度频宽，而矮结构可以缓解这种差异。解这种差异。并联机构设计并联机构设计矮结构矮结构优点：优点：水平出力大水平出力大横向刚度好横向刚度好缸行程短缸行程短缸速度小缸速度小液压源流量小液压源流量小矮结构的优点矮结构的优点 并联机构设计并联机构设计高结构矮结构设计者更容易选择设计者更容易选择“矮结构矮结构”的台子的台子容易倾向的结构容易倾向的结构 并联
15、机构设计并联机构设计早期的设计结果早期的设计结果 并联机构设计并联机构设计这样做就足够了吗？并联机构设计并联机构设计这种“矮结构”台子更容易倒！而不是直观感觉那样更“稳定”Hunt奇异奇异 重力重力A轴轴并联机构设计并联机构设计 Hunt奇异奇异 并联机构设计并联机构设计 并联机构设计并联机构设计无奇异位形1.功率小、成本低（体现经济性）2.刚度高（体现性能）3.无干涉（体现安全性）从根本上保证机构的安全性，失控情况下也不会倾覆必须加上这一条设计原则设计原则 结构校验结构校验 ADAMS模型模型 结构校验结构校验 结构校验结构校验 驱动系统设计驱动系统设计液压缸液压缸 驱动系统设计驱动系统设计
16、 液压缸形式液压缸形式(a)(a)双出杆对称作动器双出杆对称作动器 (b)(b)单出杆非对称作动器单出杆非对称作动器 (c)(c)单出杆对称作动器单出杆对称作动器活塞杆活塞缸筒活塞杆活塞缸筒套筒环形作用面积油口油口 驱动系统设计驱动系统设计 液压缸形式液压缸形式大腔大腔 驱动系统设计驱动系统设计 液压缸形式液压缸形式油口油口垂直速度要求垂直速度要求垂直速度要求垂直速度要求1.9m/s1.9m/s长时间运动长时间运动长时间运动长时间运动 驱动系统设计驱动系统设计 液压缸形式液压缸形式油口油口负载很轻负载很轻负载很轻负载很轻仅仅仅仅300kg300kg 驱动系统设计驱动系统设计 液压缸形式液压缸形
17、式 驱动系统设计驱动系统设计 液压缸形式液压缸形式大腔小腔 驱动系统设计驱动系统设计 液压缸形式液压缸形式密封：密封：组合密封：摩擦力大，成本低；组合密封：摩擦力大，成本低；静压支撑：摩擦力小，成本高；静压支撑：摩擦力小，成本高；CAE公司的飞行模拟器公司的飞行模拟器 驱动系统设计驱动系统设计 液压缸参数液压缸参数1.有效行程有效行程(L)2.活塞直径活塞直径(D)3.活塞杆直径活塞杆直径(d)4.缓冲缓冲活塞杆活塞缸筒缓冲Dd 驱动系统设计驱动系统设计 液压缸缓冲液压缸缓冲液压缸缓冲应该能够吸收失控时的能量！液压缸缓冲应该能够吸收失控时的能量！驱动系统设计驱动系统设计 阀的选择阀的选择伺服比
18、例阀伺服比例阀力士乐伺服阀力士乐伺服阀 驱动系统设计驱动系统设计 阀的选择阀的选择二级阀二级阀三级阀三级阀MOOG伺服阀伺服阀 驱动系统设计驱动系统设计 阀的选择阀的选择 驱动系统设计驱动系统设计 -10123x 105-2-1.5-1-0.500.511.52FL(N)V(m/s)负载匹配负载匹配伺服阀和液压缸的特性伺服阀和液压缸的特性负载特性负载特性设计余量设计余量 驱动系统设计驱动系统设计 各种工况各种工况 驱动系统设计驱动系统设计 运动所需瞬时流量运动所需瞬时流量液压源额定流量液压源额定流量运动所需平均流量运动所需平均流量液压油源液压油源 驱动系统设计驱动系统设计液压源：恒压变量泵液压
19、源：恒压变量泵+蓄能器蓄能器1.流量流量2.压力压力CAE飞行模拟器飞行模拟器液压源液压源 运动平台的设计运动平台的设计 上平台结构上平台结构 运动平台的设计运动平台的设计 1XYZ DEC 26 200816:41:48DISPLACEMENTSTEP=1SUB=7FREQ=62.767DMX=.0419311XYZ DEC 26 200816:42:15DISPLACEMENTSTEP=1SUB=8FREQ=62.769DMX=.0431111XYZ DEC 26 200816:43:12DISPLACEMENTSTEP=1SUB=9FREQ=148.634DMX=.039599上平台振型
20、与变形上平台振型与变形 铰的设计铰的设计 铰的形式铰的形式 铰的设计铰的设计 铰的形式铰的形式十字铰十字铰 铰的设计铰的设计虎克铰虎克铰 铰的设计铰的设计 1.低摩擦低摩擦2.无间隙无间隙3.结构紧凑结构紧凑4.运动范围大运动范围大铰的形式铰的形式 干涉检查干涉检查 干涉检查干涉检查与周围设备的干涉校核与周围设备的干涉校核 干涉检查干涉检查Question?第第第第6 6章章章章并联机构的控制并联机构的控制并联机构的控制并联机构的控制哈尔滨工业大学Harbin Institute of TechnologyControl 主要内容主要内容6.1 控制系统6.2 控制策略 液压驱动控制系统液压驱
21、动控制系统液压驱动并联机构液压驱动并联机构 液压运动平台液压运动平台运动控制计算机运动控制计算机1.位置反解位置反解2.六套液压缸的数字闭环控制六套液压缸的数字闭环控制3.系统逻辑控制系统逻辑控制4.实时故障检测与安全保护实时故障检测与安全保护5.网络通信网络通信以太网以太网UPS电源电源上位机上位机六个位移反馈六个伺服阀驱动液压驱动控制系统液压驱动控制系统 液压驱动控制系统液压驱动控制系统液压驱动系统液压驱动系统液压源液压源控制器NI PXI 实时控制器液压驱动系统串行通信驱动控制、反馈外部系统数据、指令 液压驱动控制系统液压驱动控制系统液压驱动系统液压驱动系统液压缸伺服阀压力传感器位移传感
22、器压力传感器 液压驱动控制系统液压驱动控制系统液压缸液压缸 液压驱动控制系统液压驱动控制系统液压缸液压缸 液压驱动控制系统液压驱动控制系统伺服阀伺服阀 液压驱动控制系统液压驱动控制系统三级伺服阀三级伺服阀 液压驱动控制系统液压驱动控制系统三级伺服阀三级伺服阀 液压驱动控制系统液压驱动控制系统大流量伺服阀大流量伺服阀 液压驱动控制系统液压驱动控制系统三级伺服阀三级伺服阀 液压驱动控制系统液压驱动控制系统位移传感器位移传感器 液压驱动控制系统液压驱动控制系统CAN位移传感器位移传感器 液压驱动控制系统液压驱动控制系统位移传感器位移传感器 液压驱动控制系统液压驱动控制系统位移传感器位移传感器 液压驱
23、动控制系统液压驱动控制系统CAN位移传感器位移传感器 电动并联机构电动并联机构伺服电机驱动控制系统伺服电机驱动控制系统 Bearing BlockSuperior Bearing SystemSealing SystemCushionServo MotorBody BlockFull Supported NutAnti-RotationEnd Cap BlockRod BearingSealing SystemCushionBall/Roller Screw伺服电机驱动控制系统伺服电机驱动控制系统直连式电动缸直连式电动缸 伺服电机驱动控制系统伺服电机驱动控制系统折返式电动缸折返式电动缸 电动运
24、动平台电动运动平台运动控制计算机运动控制计算机伺服电机驱动控制伺服电机驱动控制编码器反馈编码器反馈1.位置反解位置反解2.六套电动缸的数字闭环控制六套电动缸的数字闭环控制3.系统逻辑控制系统逻辑控制4.实时故障检测与安全保护实时故障检测与安全保护5.网络通信网络通信以太网以太网UPS电源电源上位机上位机伺服电机驱动控制系统伺服电机驱动控制系统 伺服电机驱动控制系统伺服电机驱动控制系统 伺服电机驱动控制系统伺服电机驱动控制系统 伺服电机驱动控制系统伺服电机驱动控制系统 控制系统控制系统 控制系统控制系统数据采集网络通信运动分析伺服控制逻辑控制故障诊断与安全保护控制输出 RT-Lab Window
25、s/Matlab Windows Windows NT/QNX x86运行环境运行环境 名称名称 开发环境开发环境 host target 硬件组成硬件组成 RT Win Tgt Windows/Matlab Windows Realtime kernel XPC Target Windows/Matlab windows RTTarget32 PC(SBC,PC104,CompactPCI)X86 CPU off-the-shelf I/O Board(Advantech,NI)MatrixX Windows windows VxWorks AC-104,PCI Pro,AC-1000 La
26、bview RT Windows windows PharLap ETS RT Series Hardware(PXI,NIDAQ)控制系统控制系统 姜洪洲教授控制系统控制系统 参数整定与数据的可视化参数整定与数据的可视化自动代码生成自动代码生成I/OI/O接口库接口库实时测试实时测试自动测试自动测试分析设计分析设计建模与仿真建模与仿真控制理论控制理论控制系统控制系统 控制系统控制系统 基于原型的测控系统基于原型的测控系统控制系统控制系统 铰点空间控制工作空间控制控制策略控制策略 前馈控制器1号液压伺服驱动系统位置反解放大器反馈并联机器人上平台前馈控制器6号液压伺服驱动系统放大器反馈rl11l
27、rl6rqq6l+-+铰点空间控制铰点空间控制 -+prl upkl+-0kak前馈部分位移传感器单套液压驱动系统驱动力液压缸位移负载压降动压反馈位移反馈123 sfG spG铰点空间控制铰点空间控制 100101-40-35-30-25-20-15-10-505频 率 (Hz)幅度(dB)1 2 3 4 5 6 比例控制，频宽(-3dB)：3Hz左右铰点空间控制铰点空间控制 ccccccqGq,qCqqM cqMPD正解并联机器人ldqfq+-+ctqcvpccteKeKqM Computed torque control 工作空间控制工作空间控制计算力矩控制计算力矩控制 cccccvpcc
28、tqGq,qCqqMeKeKqM qGqq,CqqM ct qMqMc实际逆动力学：如果驱动系统完全复现期望力矩：cccqGq,qCqGqq,C逆动力学准确：工作空间控制工作空间控制计算力矩控制计算力矩控制 计算力矩控制计算力矩控制 0)()(cvcpcqqKqqKqqqM 0)()(cvcpcqqKqqKqq 0pveKeKe e0t工作空间控制工作空间控制 工作空间控制工作空间控制 幅相控制幅相控制 由于频宽限制，正弦信号存在幅度衰减和相位滞后0dB-3dB频率频率幅幅度度系统频宽系统频宽W10.707幅幅值值0时间时间输入波形输入波形响应波形响应波形-3dB频率点处频率点处幅值衰减幅值衰
29、减30 幅相控制幅相控制位姿位姿控制控制在线迭代在线迭代补偿补偿比较比较偏差偏差输入输入响应响应实时实时正解正解幅相控制幅相控制负负载载 幅相控制幅相控制 (a)采用幅相控制前 (b)采用幅相控制后采用幅相控制技术后，实现了对高频正弦信号的高精度跟踪 波谱复现控制波谱复现控制实际跑车环境试车场地环境实验室内复现将实际路面信号或者试车场地的加强路面信号，在摇摆台上复现 波谱复现控制波谱复现控制a)稳定器试验路稳定器试验路(25km/h)c)直线障碍路（直线障碍路（20km/h）b)环形路环形路(30km/h)RYGG-1R1RYR 实现完全复现实现完全复现新的驱动GRY由于由于G1，因此，因此Y
30、R复现原理波谱复现控制波谱复现控制 Spectral Dynamics,Inc.波谱复现控制波谱复现控制 LMS振动控制系统振动控制系统波谱复现控制波谱复现控制 研究成果研究成果机载武器站综合试验台 高新工程项目 P：698w 研究成果研究成果对接机构综合试验台 921载人航天工程项目P：1692wQuestion?少自由度并联机构少自由度并联机构少自由度并联机构少自由度并联机构哈尔滨工业大学Harbin Institute of TechnologySeveral 6 DOF mechanism 目目 录录3-RPS 目目 录录3-DOF 3-RPSRPS 上平台上平台1a2a3a1b2b3
31、b下平台下平台arbr3-RPS 上平台上平台1a00ap1ra02321aap2rra02321aap3rra3-RPSpxpypO2a3a 00b1rb02321bb2rrb02321bb3rrb3-RPS1b2b3b下平台下平台br 约束约束1b2b3b3-RPSXY1a01ya2x2y3aa3x3y3aa2a3a 3-RPS01yatRaap11332331232221131211RRRRRRRRRR0a21 yrR00ap1ra1z1y1x1aaaazyxt 3-RPStRaap22332331232221131211RRRRRRRRRRzyxt2x2y3aa02321aap2rra
32、yRrRra22a21a2y2321xRrRra12a11a2x2321xRrRryRrRr12a11a22a21a232132321 3-RPStRaap33332331232221131211RRRRRRRRRRzyxt3x3y3aayRrRra22a21a3y2321xRrRra12a11a3x2321xRrRryRrRr12a11a22a21a23213232102321aap3rra 3-RPSxRrRryRrRr12a11a22a21a232132321xRrRryRrRr12a11a22a21a232132321约束方程约束方程0a21 yrR ccscssccssssscccs
33、cscsscssscccRsinscosc3-RPSa21rRya)cs(ry0a21 yrR 3-RPSxRrRryRrRr12a11a22a21a232132321xRrRryRrRr12a11a22a21a2321323211212+12a21a332RryRr 3-RPSxRrRryRrRr12a11a22a21a232132321xRrRryRrRr12a11a22a21a2321323211212-xRrRr23311a22aa221121rRRx 3-RPS12a221121rRRxa)cs(ry12a21a332RryRr约束方程约束方程3 ryrxasincos)coscossinsinsincos(cos2coscossinsintanT,z,y,xqT,zT,yx如果给定则，根据上述约束方程可求得这样，上平台位姿完全确定：3-RPS 约束方程位置反解tbRaliii(
