專利名稱：并聯機器人的正、逆動力學響應分析與控制方法
技術領域：
本發明主要涉及到機器人的控制技術領域，特指一種并聯機器人的動力學響應分析和控制方法，特別適用于含復雜閉環約束的并聯機器人系統的動力學分析，包括正向動力學及逆向動力學響應分析方法，并用于指導其控制器設計。
背景技術：
并聯機器人機構的嚴格定義為上下平臺用2個或2個以上的分支相連，機構具有 2個或2個以上的自由度，且以并聯方式驅動的機構(參見

圖1和圖2)。從結構上看是一種有著兩個平臺，中間有多個支桿連接而成的機構。其中一個平臺固定在參考坐標系或基座上，稱為固定平臺，另一個平臺可在其工作空間內任意運動，稱為運動平臺。并聯機構的形式有多種，按連接上下平臺的連桿數來分一般有3連桿式和6連桿式；按連桿本身結構來分有伸縮式和定長式；按照連桿與固定平臺的連接方式來分有轉動副、移動副、螺旋副、圓柱副、球面副、平面副、以及虎克鉸等。按每個單獨鏈路的連接方式分有SPS，PSS, RPS, PRR 等形式，其中，S表示球面副連接，P表示移動副連接，R表示平面旋轉副。1965年，德國Mewart發明了六自由度并聯機構，并作為飛行模擬器用于訓練飛行員。1978年澳大利亞著名機構學教授Hunt提出將并聯機構用于機器人手臂。并聯機構的特點(1)與串聯機構相比剛度大，結構穩定；(2)承載能力大；(3)微動精度高；(4)運動負荷小；(5)在位置求解上，串聯機構正解容易，但反解十分困難，而并聯機構正解困難反解卻非常容易。動力學的正解和逆解是機器人動力學的兩個主要問題。前者是已知機器人各關節的作用力或力矩，求出各關節的位移、速度、加速度以及運動軌跡；后者是已知機器人各關節的位移、速度、加速度，求出各關節的作用力或者力矩。6自由度并聯機構是并聯機器人機構中的一大類，是國內外學者研究得最多的并聯機構，廣泛應用在飛行模擬器、6維力與力矩傳感器和并聯機床等領域。但這類機構有很多關鍵性技術沒有或沒有完全得到解決，比如其運動學正解、動力學響應分析以及并聯機床的精度標定等。并聯機器人的正逆動力學是并聯機器人研究的一個重要分支，其中動力學響應分析是并聯機器人實現控制的基礎，因而在研究中占有重要的地位。有關動力學響應分析的研究，在串聯機器人領域已經取得了很大的進展。對并聯機器人的研究內容大都涉及機構和運動學，由于并聯機構的復雜性，對并聯機器人的動力學研究相對較少。并聯機器人是一個復雜的動力學系統，存在嚴重的非線性，有多個關節和多個連桿組成，具有多個輸入和多個輸出，它們之間存在著錯綜復雜的耦合關系。因此，要分析研究機器人的動力學特性，必須采用非常系統的方法。現有的分析方法有拉格朗日方法，牛頓-歐拉方法，高斯方法，羅伯森-維滕堡方法、凱恩方法、旋量(對偶數)方法等。其中，牛頓歐拉法和拉格朗日法是最應用最多的方法。牛頓-歐拉法是一種力的動態平衡法，它需要從機器人的運動學出發，求出加速度并以此消除系統內各作用力。這種方法優點是直觀，容易理解。但是由于并聯機器人的各關節變量之間有較強的耦合關系，需對和關節相關的物理量做大量的簡化才能滿足牛頓歐拉求解的各種條件，不適于實際并聯機器人系統的建模。拉格朗日法只需要速度而不需要求解系統內作用力，通過求解系統的動能和勢能得到系統的動力學方程，這種方法簡單直接，可以得到比較準確的結果。但是仍存在如下問題(1)該方法的計算過程依賴于拉格朗日乘子，無法得到解析解；( 數值計算方法所求的數值解需要經過多次迭代收斂后才能得到解，不利于系統控制器的設計。由于數值計算具有速度慢，效率低，并且不能求出所有可能的解等缺點，于是希望采用解析法來求解并聯機器人機構的封閉解。

發明內容
本發明要解決的技術問題就在于針對現有技術存在的技術問題，本發明提供了一種并聯機器人正、逆動力學響應分析與控制方法，該方法具有很好的模型共用性，對復雜約束的并聯機器人系統提供了動力學統一分析方法。為解決上述技術問題，本發明采用以下技術方案一種并聯機器人的正、逆動力學響應分析與控制方法，其步驟如下(1)、分解并聯機器人選擇廣義坐標系或自定義坐標系將并聯機器人的各個分支鏈(連桿)和動平臺視為相互獨立的s個子系統；(2)、確定各連桿子系統的動力學方程運用經典力學方法建立S-I個連桿子系統和1個動平臺子系統的動力學方程，對于連桿子系統，其動力學方程為如下形式
權利要求
1. 一種并聯機器人的正、逆動力學響應分析與控制方法，其特征在于，步驟如下(1)、分解并聯機器人選擇廣義坐標系或自定義坐標系將并聯機器人的各個連桿和動平臺視為相互獨立的S個子系統；(2)、確定各連桿子系統的動力學方程運用經典力學方法建立s-1個連桿子系統和1 個動平臺子系統的動力學方程，對于連桿子系統，其動力學方程為如下形式
2.根據權利要求1所述的并聯機器人的正、逆動力學響應分析與控制方法，其特征在于，所述步驟(2)和步驟(3)中的經典力學方法為拉格朗日方法或牛頓歐拉方法。
3.根據權利要求1所述的并聯機器人的正、逆動力學響應分析與控制方法，其特征在于，所述步驟(7)中，假如并聯機械手的運動不存在奇異，每個子系統的廣義坐標下的運動方程描述為
全文摘要
一種并聯機器人的正、逆動力學響應分析與控制方法，其步驟為(1)分解并聯機器人選擇廣義坐標系或自定義坐標系將并聯機器人的各個分支鏈和動平臺視為相互獨立的s個子系統；(2)確定各分支鏈子系統的動力學方程；(3)確定動平臺子系統的動力學方程；(4)確定約束方程；(5)通過分析得到正動力學方程；(6)通過分析得到逆動力學方程；(7)確定控制器的控制力。本發明具有很好的模型共用性，對復雜約束的并聯機器人系統提供了動力學統一分析方法。
文檔編號G05B17/00GK102495550SQ20111037171
公開日2012年6月13日 申請日期2011年11月21日 優先權日2011年11月21日
發明者成艾國, 王彬, 黃晉, 黃清敏 申請人:湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司