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原文传递三自由度冗余驱动并联机构的若干关键技术研究

论文题名：	三自由度冗余驱动并联机构的若干关键技术研究
关键词：	摇摆运动;海上船舶;三自由度;冗余驱动;并联机构;模拟仿真
摘要：	海洋条件下舰船运动的模拟技术是伴随着仿真、航海和舰船技术的发展同步发展起来的,它不但可以模拟舰船的各种复杂运动姿态,还可以研究海浪、海流等因素对舰船在海上运动特性的影响,具有明显的可控性、无破坏性、经济性、可靠性和安全性等优点,这种模拟技术已经得到了世界各国的广泛研究。　　石油是当今世界上最重要的能源,其中船舶是海洋石油的主要运载工具。由于石油不同于固体的特殊性,在运输过程中,石油的晃动会对船舶运动产生影响。为了测试在各种海况条件下运输石油可能出现的危险情况,本文提出运用一种结构为4-S(P)S/S的三自由度冗余驱动并联机构实现模拟船舶在海上的摇摆运动,对其主要的关键技术展开详细研究。主要研究内容概括如下: 　　根据4-S(P)S/S冗余驱动三自由度并联机构的结构特点,建立合适的静态参考坐标系、动坐标系和支链坐标系,运用螺旋理论推导出该并联机构动平台的真实自由运动特性;运用坐标旋转变换法,建立该机构的位置逆解模型,推导出其位置逆解的解析解;运用杆长约束方程和Sylvester结式消元法,首次推导出该机构位置正解的全部解析解,实例分析结果验证了该位置正解求解算法的正确性。　　推导出4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构的雅可比矩阵,运用Gosselin奇异性分析法对4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构的奇异性进行分析,分析结果表明该并联机构在其预设工作空间内不存在奇异位型;研究了影响4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构工作空间的主要因素,并对其运动副的转角限制和各支链间的尺寸干涉限制进行了解析化分析;基于位置正解的解析解模型,设计了4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构回转工作空间的求解算法,避免了数值方法及几何方法的复杂性和不确定性,实现了回转工作空间的直观性表达。　　运用牛顿一欧拉法研究了4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构各主动支链和动平台的动力学模型,推导出各主动支链驱动力的显示方程;分别运用驱动力的2范数优化、各驱动器最大瞬时驱动力的最小优化、驱动力总变化率的最小优化、驱动器总驱动功率的最小优化和各驱动器最大瞬时驱动功率的最小优化的方法对-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构的驱动力进行了优化研究;通过仿真分析发现,驱动力的2范数优化和驱动力总变化率的最小优化效果优于其他三种优化方法。　　基于逆向运动学雅可比矩阵和正向运动学雅可比矩阵,运用拉格朗日乘子法,研究了4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构的速度、灵巧度、刚度和承载能力的全域性能指标;运用求导法推导出4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构的二阶影响系数矩阵,在此基础上研究了4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构的加速度全域性能指标;在预设工作空间内绘制出相应的全域性能指标图谱,分析了各类性能指标随机构尺寸参数变化的分布规律,获得了在各类全域性能指标下的4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构的最优尺寸区间。　　为4-S(P)S/S三自由度冗余驱动并联机构设计了阀控液压伺服驱动系统,从理论上推导出非对称阀控制非对称液压缸系统正反向统一的非线性模型,并从工程应用的角度对其统一的理论非线性模型进行了简化;通过非线性状态反馈变换,实现了非线性模型的全局线性化;针对该全局线性化模型,基于LQR法设计了无静差跟踪控制器;通过仿真实验研究,说明了该控制器的有效性,能达到良好的跟踪性能,为后续实际工程控制的实现提供理论基础。
作者：	周结华
专业：	控制理论与控制工程
导师：	彭侠夫
授予学位：	博士
授予学位单位：	厦门大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文