一种柔索并联机器人的动力学建模与主动控制

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振!动!与!冲!击

第"#卷第$期

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一种柔索并联机器人的动力学建模与主动控制

基金项目!本工作得到国家自然科学基金跨科学部交叉重点项目...巨型射电天文望远镜总体设计与关键技术研究#>9<$$9"9$与教育部留学回国人员实验室基金#9$9<9>$的支持

收稿日期!"99#;9=;9@!修改稿收到日期!"99#;9#;9=第一作者訾!斌男"博士生">?:=年生訾!斌"!段宝岩"!杜敬利"!保!宏

#西安电子科技大学机电工程学院"西安!:>99:>$

!!摘!要!柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件"它结合了并联结构和柔索驱动的优点%

=99]口径大射电望远镜#,*20$粗调系统是通过六根索长的协调变化使馈源舱作跟踪射电源的六自由度运动"其工作特点类似并联机器人"因此也被看作柔索并联机器人%基于,*20=]缩比实验模型"首先进行了逆运动学分析)其次"采用拉格朗日方程建立了柔索并联机器人的逆动力学模型)最后"针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷"设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫W .1控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应%数值结果验证了该主动控制策略能够有效衰减风荷振动"从而提高了馈源轨迹跟踪精度%

关键词!柔索并联机器人"动力学分析"主动控制"免疫W .1控制中图分类号!03:=>"&$"@!!!文献标识码!*

!!随着射电天文科学的发展"国际社会对射电天文

望远镜的观测能力提出了新的要求%=99]口径大射电望远镜#,*20!,Q h M ;YGPKO M K Z M S M O *HM O S GO M 2HYM O Q R b L 7(L KQ 60M 7M F b 6HM $的创新设计方案是由#根柔索控制具有#自由度馈源舱作跟踪射电源运动&>;"’%其工作特点类似并联机器人"因此可以被看作柔索并联机器人%柔索并联机器人作为馈源舱支撑机构"属于,*20一级粗调系统来保证馈源舱的运动定位精度达到厘米级)同时"安装在馈源舱内的2S M d L O S 平台对馈源的动态运动定位精度进行实时误差补偿"使馈源的动态运动定位精度保持在毫米级%为了系统研究,*20的关键技术"西安电子科技大学项目组建造了,*20=]缩比实验模型"见图>%

图>!,*20=]缩比实验模型

柔索并联机器人是"9世纪@9年代发展起来的新

型机器人&$’%由于柔索并联机器人采用柔索代替连杆作为机器人的驱动元件"结合了并联结构和柔索驱动的特点%经过广泛研究现已形成比较完整的体系"并

且形式多种多样&<;=’%柔索并联机器人是多变量和本质上非线性的系统"每个控制任务本身就是一个动力

学任务&#’%2YQ

L PN 与4L PP6P 等对$自由度索系并联机器人进行了动力学分析&:’%Z

6S 6m Q 与)6O Q S L VL 等对欠约束柔索机器人的动力学与控制进行了研究&@’%本文针对已经建成的,*20=]缩比实验模型的特点"基于拉格朗日方程建立了柔索并联机器人系统的动力学模型"解决了已知馈源舱运动轨迹"对柔索并联机器人逆运动学(逆动力学分析的问题%另外"为了尽可能地减少馈源舱实际运动与理想情况的偏差"达到期望的目标"抑制随机风荷等不确定性因素的干扰是十分必要的%柔性结构的振动主动控制研究已成为当前动力学领域的前沿课题&?’%而结构振动控制技术的研究主要集中在控制装置和控制律设计两个方面%对于主动控制系统"控制律设计是整个控制系统设计中的核心内容%因此"本文针对结构特点模拟作用在馈源舱上的随机风荷"设计了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫W .1控制器来控制馈源轨迹跟踪的风振响应%

!"柔索并联机器人系统

,*20=]柔索并联机器人结构如图"所示%由柔

索塔(柔索(馈源舱等组成%#根柔索7>3>E 7#3#的上

端7>E 7#与柔索塔相连"下端3>E 3#与馈源舱相连%

柔索塔7>E 7#均匀分布在一个圆周上"3>(3$(3=均匀

地分布在舱体底圆上"3"(3<(3#在半球形舱体顶端c "附近均匀分布%端点35与馈源舱连接情况的平面示意图如图$所示%

万方数据