基于关节空间多轴交叉耦合方法的气动并联平台高精度位姿控制研究

Parallel platform is a multiple DOFs mechanism which is driven by multiple actuators. It enjoys high stiffness and accuracy of motion. To solve the difficulties on the posture control of these mechanisms which have the parallel structure, due to the fact that there is no analytical solution to their forward? kinematics, a new strategy of high-accuracy control of the pneumatic parallel platform based on cross-coupling in joint workspace will be proposed. In order to overcome the weak points of pneumatic systems such as the nonlinear and parametric uncertainties, the adaptive robust control methods will be applied into the control algorithms. The CCARC(Cross-Coupling Adaptive Robust Control) controller will be proposed to achieve the high accuracy control of the pneumatic parallel platform. This project mainly contains the following parts: the optimal design of parallel platform driven by pneumatic muscles and air cylinders, the CCARC controller design in joint workspace of the parallel platform, the new cross-coupling control strategy to measure the posture error of single parallel platform as well as the synchronous error among multiple parallel platforms, and the design of Multi-CCARC controller which achieves high accuracy of synchronous motion of multi-platform array, which will lay a theoretical foundation for the motion principles and control strategy of pneumatic parallel platforms.

并联平台是由多个执行器对同一运动平台耦合作用控制平台多自由度运动的机构，具有刚度特性好、运动精度高的特点。项目针对采用气动肌肉-气缸混合驱动的并联平台正解无解析解且执行器非线性特性严重等不易于高精度位姿控制的问题，提出基于关节空间上多轴交叉耦合与自适应鲁棒控制相结合的方法，通过关节空间多轴高精度同步协调控制实现平台位姿的高精度位姿轨迹控制。项目主要完成气动肌肉-气缸混合驱动的并联平台优化设计方法、基于气动并联平台关节空间多轴交叉耦合自适应鲁棒控制策略、并联平台阵列协同运动交叉耦合控制策略及并联平台运动控制器的研究，为明确气动并联平台系统动作机理、实现精确控制奠定理论基础。

并联平台是由多个执行器对同一运动平台耦合作用控制的多自由度运动机构，具有刚度特性好、运动精度高等特点。该项目是以气动肌肉-气缸混合驱动的三自由度并联平台和气缸驱动的三自由度并联平台为研究对象，针对采用气动并联平台正解无解析解且执行器非线性特性严重等不易于高精度位姿控制的问题，在建立的系统机构学模型、动力学模型和多轴耦合控制模型的基础上，将交叉耦合理论与多输入多输出自适应鲁棒控制策略相结合，提出了基于关节空间的高精度同步控制算法，通过关节空间多轴高精度同步协调控制实现了平台位姿的高精度位姿轨迹控制。在具体的科学技术实现上，交叉耦合控制是通过将单轴控制误差与其他轴的控制误差通过耦合系数进行数据融合并反馈到控制器输入端，使轨迹跟踪误差和同步误差同时得到收敛。自适应鲁棒控制策略是针对气动伺服系统的执行元件(气动肌肉和气缸)和控制元件(比例方向阀)存在参数不确定性和不确定非线性，采用最小二乘法和实时更新的自适应矩阵对关键参数进行在线辨识，并通过设置遗忘因子来保证参数估计值的有界性和更新速率，保证参数估计的准确收敛；为了补偿未建模部分带来的误差以及抑制不确定非线性的干扰，引进了基于反步法的模型补偿项和非线性鲁棒反馈项，保证了一定的鲁棒瞬态性能和高的稳态跟踪精度。为了进一步提高算法的可移植性和通用性，提出了在线辨识阀的死区参数并对阀的死区进行有效补偿的方法。在经过理论、仿真、实验的三个主要研究阶段，完成了稳定可靠的气动并联平台的高精度位姿轨迹跟踪控制算法研究，鉴于实验阶段使用的NI-PXI实时控制系统和dspace实时控制系统价格昂贵且体积较大，不利于算法在控制器中集成推广。因此，开发了基于DSP的气动并联平台的嵌入式控制器，实验表明，算法移植到DSP嵌入式控制器中同样能够实现并联平台的高精度位姿控制。研究了自动伺服控制中的重要元件即无摩擦气缸，采用静压气体轴承的原理设计气缸的活塞，并使用电容测距原理防止活塞偏心，实验表明，无摩擦气缸可以实现轻量负载下的无摩擦运动。