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基于笛卡尔坐标制的外感位姿测量三自由度电气驱动运动平台.docVIP

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基于笛卡尔坐标制的外感位姿测量三自由度电气驱动运动平台

基于笛卡尔坐标控制的外感位姿测量三自由度电气驱动运动平台 Eduardo Izaguirre, Luis Hernández, Ernesto Rubio and Orlando Urquijo Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas, Cuba 摘要:本文基于外感受测量系统,提出了一种三自由度电气驱动的并联机器人运动坐标控制方案。用逆运动模型从时变的任务空间轨迹中获得所需的关节位置坐标。所提出的任务空间内的这个级联控制方案是基于双环的。其中,内环包括一个解耦关节的位置控制,而外回路的设计则是为了得到一个适当的任务空间轨迹追踪。为了避免对运动学正解的实时计算,用惯性传感器和光学编码器装置来提供准确的末端执行器的位姿测量。该实验的结果展示了所提出的控制方案在工业的运动跟踪应用程序中的突出表现。 关键词:笛卡尔坐标控制 外感受测量 运动平台 三自由度并联机器人 引言 近年来,对并联机器人的研究越来越重要。人们发表了成百上千的研究论文,建造了许多样机,发明了新拓扑,他们的应用也在不断增加。 并联运动机床(PKM)有着良好的刚性,准确的运动,高移动抗拉强度,高精度和可重复性,但它也带来了严重的挑战,如有限的工作区域,在工作区及运动学和动力学建模中的奇点。从控制方案的角度来看,PKM的控制算法不一定能在关节空间坐标或是任务空间坐标中发展。在关节空间控制中,每一个关节都能在对不确定性和未建模的动力学的较差补偿下,被当作解耦独立的单量输出单量输入的控制回路。任务空间方案提出了直接逆动态控制,与关节空间动态模型补偿或任务空间动力学模型补偿。笛卡尔控制方案通常需要通过正向运动学,(包括收敛问题和高计算时间 )对末端执行器进行联机数学计算。因此,笛卡尔控制方案在实时控制中是不适用的。 并联机器人在运动模拟器领域有许多应用,基于模型的控制现在被用于确保准确的路径追踪,但控制的质量强烈依赖于模型的保真度,而这在实践中不一定能实现。在轨迹控制中实施非线性方法和智能算法需要相对较高的计算工作量,且其在工业实时应用和采样时间上也有所限制。 本文通过测量实时运动追踪应用程序中移动平台的直接位姿,提出了一种运动任务空间控制方案,此方案中机器人完整动态模型是非必要的。本文还展示了电气驱动三自由度工业并联机器人的轨迹控制的所求结果 本文的组织结构如下:第一部分是引言;第二部分阐述了机器人的主要规格并描述了逆运动学(IK)方程;第三部分首先介绍了电气动系统的动态模型,其次介绍了关节空间中解耦位置控制方案,再次以足够的惯性传感器和光学编码器组合测量移动平台的位置及方向,提出了级联任务空间;最后,运动跟踪应用程序中的实验结果展现了该系统的良好性能。 机器人描述及IK模型 并联机器人体系模型 研究中的机器人系统是由线性气动执行器驱动的三自由度并联机器人组成的。图一展示了运动模拟器及其相应的CAD模型在MSC. Adams软件中的发展,它们随后被应用于多样的模拟控制方案。这个系统的基本数学表达包括逆运动表达和相应的气动伺服模型,如驱动器的动态模型,这两者都被用来实现该运动控制循环。 固定底座是由三气动运动链继RPSU-2SPS架构连接到移动平台上的。如图二所示,底座坐标框架被设计为Oxyz 框架, 固定在底座中心,该坐标框架中Z轴指向垂直上方,X轴指向平台后方。相似地,一个运动坐标框架Px’y’z’ 以运动平台为中心,Z轴垂直于末端执行器。经过简化,z和z?轴方向都指向相同的单位矢量。’和Y’轴旋转,分别由横摇(θ)和纵摇(φ)角度表示,以及沿Z’轴线性位移,定义为变量h。因此,运动平台可以模拟与虚拟现实环境对应的不同场景,这些场景显示在位于可容纳两人的机舱内、牢固地附着在移动平台上的液晶显示器。 这种机器人是森普公司为娱乐和驾驶模拟器目的而开发的工业运动模拟器。表1总结了森普-PKM最重要的特点和技术参数。 描述 参数 末端执行器的初始高程 1070mm 驱动器的加速度 980mm/ s2 最大的纵横摇角度 ± 18 deg 运动平台的高程 ± 215 mm 机器人的总质量 1034kg Pay-负载/质量关系 2.18 表1. 并联机器人的主要特征 值得注意的是,良好的负载能力和相对小的工作空间都是并联机器人的典型特点。 逆运动学表达式 并联机器人的运动学关系定义了关节变量(q)和笛卡尔空间中末端执行器质量中心的相应位置(x, y, z)及角向(θ,φ,ψ)之间的关系。 并联机器人的运动学关系确定关节变量(q)和相应的位置(x,Y,Z)和端部执行器的质量在直角坐标空间中心角度取向(θ,φ,ψ)之间的关系.[11] 对于n轴并联机器人,逆运动学关系?1描述了到达移动台的指

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