| 工学博士学位论文
6-RTRT并联机器人及其自适应力控制研究
徐文军
图书分类号：TP242.2
U.D.C. : 621.865.8
工学博士学位论文
6-RTRT并联机器人及其自适应力控制研究
博 士 研究生：徐文军
副 导 师：孙立宁 教授
申请学位级别：工学博士
学 科、专 业：机械电子工程
所 在 单 位：机电工程学院
Classified Index: TP242.2
UDC: 621.865.8
A Dissertation for the Degree of Dr. Eng.
STUDY OF 6-RTRT PARALLEL ROBOT AND ITS ADAPTIVE FORCE CONTROL
Candidate:
Supervisor:
Vice Supervisor:
Academic Degree Applied for:
Specialty:
Unit:
Date of Oral Examination:
University:
Xu Wenjun
Prof. Cai Hegao
Prof. Sun Lining
Doctor of Engineering
Mechatronic Engineering
School of Mechatronic Engineering
April 30, 1999
Harbin Institute of Technology
目 录
摘 要 I
Abstract III
图表索引 XI
Chart Indexes XIV
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 并联机器人的发展及研究状况 1
1.2.1 并联机器人的机构形式及特点 1
1.2.2 并联机器人的应用领域 3
1.2.3 并联机器人的研究发展状况 4
1.2.4 并联机器人的发展前景展望 12
1.3 机器人自适应力控制技术综述 13
1.3.1 机器人力控制技术 13
1.3.2 并联机器人的力控制 14
1.3.3 自适应控制理论在机器人力控制中的应用 16
1.4 选题意义和本文的主要研究内容 17
第2章 6-RTRT并联机器人运动学建模与仿真研究 19
2.1 引言 19
2.2 机器人位置与姿态的描述和空间变换 19
2.2.1 机器人位置与姿态的描述 19
2.2.2 空间齐次坐标变换 20
2.3 6-RTRT并联机器人位置逆解及分析 22
2.3.1 用常规方法求解6-RTRT并联机器人位置逆解 22
2.3.2 旋转输入型并联机器人位置逆解分析的轨迹圆法 25
2.3.3 用轨迹圆法分析6-RTRT并联机器人位置逆解情况 26
2.3.4 用轨迹圆法求解6-RTRT并联机器人位置逆解 27
2.3.5 实时控制中位置逆解的选取准则 28
2.4 6-RTRT并联机器人雅可比矩阵及速度正逆解 30
2.4.1 并联机器人的雅可比矩阵 30
2.4.2 6-RTRT并联机器人雅可比矩阵求解 32
2.4.3 速度逆解 35
2.4.4 速度正解 35
2.5 6-RTRT并联机器人工作空间仿真研究 35
2.5.1 工作空间极限边界点搜索算法 36
2.5.2 位置工作空间仿真 36
2.5.3 姿态工作空间仿真 36
2.6 6-RTRT并联机器人操作性能的评价 38
2.7 6-RTRT并联机器人运动轨迹规划 39
2.8 本章小结 40
第3章 6-RTRT并联机器人动力学建模与分析 41
3.1 引言 41
3.2 运动影响系数的概念 41
3.3 6-RTRT并联机器人一阶运动影响系数与速度分析 43
3.3.1 单分支一阶运动影响系数及速度分析 43
3.3.2 六分支并联机器人一阶运动影响系数及速度分析 46
3.4 6-RTRT并联机器人二阶运动影响系数与加速度分析 48
3.4.1 单分支二阶运动影响系数及加速度分析 48
3.4.2 六分支并联机器人二阶运动影响系数及加速度分析 54
3.5 6-RTRT并联机器人拉格朗日动力学方程的建立 55
3.6 6-RTRT并联机器人惯性力和驱动力矩的计算 57
3.7 本章小结 58
第4章 6-RTRT并联机器人运动控制系统的研制 59
4.1 引言 59
4.2 控制系统总体结构 59
4.3 控制系统硬件设计 60
4.3.1 主计算机与六路单片机的通讯接口电路 60
4.3.2 电机控制与驱动电路 61
4.4 主计算机与六路单片机的多机通讯 61
4.4.1 多机通讯原理 61
4.4.2 多机通讯协议 62
4.5 控制系统软件设计 63
4.5.1 人机交互及运动学运算软件 63
4.5.2 主计算机与六路单片机多机通讯软件 63
4.5.3 电机控制软件 66
4.6 本章小结 66
第5章 6-RTRT并联机器人自适应力控制器设计及仿真研究 67
5.1 引言 67
5.2 并联机器人力控制系统动力学模型及稳定性分析 67
5.2.1 不考虑操作对象动态特性的力控制系统动力学模型 67
5.2.2 考虑操作对象动态特性的力控制系统动力学模型 69
5.3 并联机器人的神经元自适应PSD力控制 70
5.3.1 神经元的输入输出模型 71
5.3.2 PSD控制算法 71
5.3.3 神经元自适应PSD控制器及其学习算法 73
5.3.4 并联机器人神经元自适应PSD力控制器及编程实现 75
5.3.5 仿真研究 75
5.4 基于模糊CMAC神经网络的并联机器人自适应力控制 80
5.4.1 模糊逻辑与神经网络的结合 80
5.4.2 模糊CMAC神经网络及其学习算法 81
5.4.3 基于模糊CMAC神经网络的并联机器人自适应力控制器设计 83
5.4.4 仿真研究 84
5.5 本章小结 85
第6章 6-RTRT并联机器人轨迹测试及力控制实验研究 86
6.1 引言 86
6.2 6-RTRT并联机器人轨迹测试实验及分析 86
6.2.1 机器人性能测试及评价方法 86
6.2.2 机器人轨迹特性的评价算法 87
6.2.3 运动轨迹测试实验系统的组成 92
6.2.4 测试实验结果及分析 93
6.3 6-RTRT并联机器人自适应力控制实验 94
6.3.1 力控制实验系统的组成 94
6.3.2 SAFMS-II六维腕力传感器系统 96
6.3.3 神经元自适应PSD力控制实验 97
6.3.4 模糊CMAC神经网络自适应力控制实验 97
6.4 本章小结 98
结 论 99
攻读博士学位期间发表的论文 101
致 谢 102
参考文献 103
摘 要
并联机器人具有刚度大、承载能力强、惯量小、位置误差不积累、易于力反馈控制等串联型机器人无法比拟的优点，在装配作业、机械加工、地下工程、空间技术、海洋工程、医学和生物工程等领域有着广阔的应用前景。从80年代后期以来，并联机器人已成为国内外学者广泛关注的研究热点。本文结合国家自然科学基金课题，在全面分析了国内外并联机器人研究发展状况的基础上，对6-RTRT型（旋转输入型）并联机器人机构、运动学、动力学、控制系统、自适应力控制等问题进行了深入的探讨和研究。
旋转输入型并联机器人是并联机器人的重要组成部分。本文在深入分析了旋转输入型并联机器人机构形式和特点的基础上，提出了适用于各种形式旋转输入型并联机器人位置逆解分析的轨迹圆法。用这种方法分析位置逆解问题，避免了繁杂的二次方程组构造和求解，能非常简便地判断位置逆解的有无及逆解个数，逆解的求解也不需复杂的计算，使位置逆解分析变得简洁明了。本文采用轨迹圆法完成了6-RTRT型并联机器人位置逆解，并对其多解性问题进行了深入分析，提出了实时控制中位置逆解的选取准则；求出了雅可比矩阵，完成了速度正、逆解；还对工作空间、操作性能评价方法及轨迹规划等运动学问题进行了研究。
本文用运动影响系数法对6-RTRT并联机器人进行了动力学研究，完成了动力学建模，分析了速度和加速度，建立了拉格朗日动力学方程，并完成了惯性力和驱动力矩的计算。
在完成了运动学和动力学建模及深入分析的基础上，为6-RTRT并联机器人研制了由微机和单片机组成的小型分布式控制系统，编制了完善的软件，为机器人充分发挥其性能和进一步的研究奠定了基础。
自适应力控制是并联机器人应用研究的重要技术基础，对于并联机器人的实用化和智能化具有重要意义。本文以6-RTRT并联机器人为基础，对并联机器人的自适应力控制问题进行了深入的研究。在深入分析自适应控制理论及模糊逻辑和神经网络原理的基础上，将神经元和模糊神经网络应用到并联机器人的自适应力控制，设计出了无需辨识系统参数、算法简单、实时性好的并联机器人神经元自适应PSD力控制器和具有极强在线自学习、自适应能力的基于模糊CMAC神经网络的并联机器人自适应力控制器。对两种自适应力控制器进行了仿真研究；并建立起力控制实验系统，进行了自适应力控制实验。仿真和实验研究都证明了两种自适应力控制器的可行性和有效性。
为评价6-RTRT并联机器人样机的运动学性能，对其进行了运动轨迹测试实验和分析，结果表明，机器人具有较高的运动精度和较好的可操作性。
本文的工作为6-RTRT型并联机器人进一步的应用研究（如精密装配、机械加工、空间对接、医疗手术等）奠定了基础，也为研制新型并联机器人机构、为其它类型并联机器人的理论和应用研究提供借鉴，有助于推动我国机器人技术的发展。
关键词 并联机器人；运动学；轨迹圆法；动力学；自适应力控制
ABSTRACT
Parallel robots have the advantages of high rigidity, high
burden capacity, low inertia, no accumulation of positional
error, easy for force feedback control over serial robots,
so they have good application prospect in the fields of
assembly task, manufacturing, underground projects, space
technologies, sea projects, medicine and biology projects,
and so on. Parallel robots became a hot research field to
which many national and foreign researchers paid close attention
from late 1980s. Combined with the research project of National
Natural Fund, this dissertation has deep discussion and
study on the mechanism, kinematics, dynamics, control system,
and adaptive force control of 6-RTRT parallel robot on the
basis of a general analysis on existed conditions of research
and development of parallel robots.
Rotate-input parallel robots are an important part of parallel
robots. In this dissertation, a general methodology named
Lotus-circle method which is used to analyze inverse positional
problem of all kinds of rotate-input parallel robots has
been presented on the basis of deep analysis on the mechanism
form and character of rotate-input parallel robots. Analyzing
inverse positional problem using this method, constructing
and solving complicated quadratic equation group are avoided,
it becomes very easy to judge whether there is inverse solution
and the number of inverse solution(s) if there is (are),
and it needs no complicated computation to solve the inverse
solutions, which makes the analysis of inverse positional
problem very easy and simple. In this dissertation, the
inverse positional problem of 6-RTRT parallel robot is solved
and its multi-solution problem is analyzed using Lotus-circle
method. The Jacbian matrix, the direct and inverse velocity
problem are solved. Other kinematic problem such as workspace
analysis, method for evaluating the operating capacity,
and plan of trajectory are studied as well.
In this dissertation, dynamic problems of 6-RTRT parallel
robot including modeling of dynamics, analysis of velocity
and acceleration, establishment of Lagrangian dynamic equation,
computation of inertia force and driving torque are analyzed
using influence coefficient method.
On the basis of modeling and deep analysis of kinematics
and dynamics, a small distributed control system consists
of a personal computer and six single-chip computers is
designed for 6-RTRT parallel robot, and perfect software
is also designed. This is the basis of performance and the
following deep study.
Adaptive force control is significant technical foundation
of the application study of parallel robots, which has great
meaning for the practicability and intelligence of the robots.
In this dissertation, adaptive force control of parallel
robots is deeply researched using 6-RTRT parallel robot
as prototype. On the basis of deeply analyzing the theory
of adaptive control and the principle of fuzzy logic and
neural network, neural and fuzzy network are brought to
adaptive force control of parallel robots and two adaptive
force controllers are designed. One is neural adaptive PSD
force controller which has the advantages of not identifying
system parameters, simple algorithm, and good on-time character.
The other one is based on fuzzy CMAC network and has very
high on-line self-study capacity and adaptation. Emulation
and experiment are presented for both controllers, which
prove their feasibility and effectiveness.
In order to evaluate the kinematic performance of 6-RTRT
parallel robot, test and analysis of motion trajectory are
presented. The result proves that the robot has high accuracy
and good operating performance.
The work of this dissertation will provide foundation for
application study (such as accurate assembly, manufacturing,
space connection, medical operation, and so on) of 6-RTRT
parallel robot, and will give reference to the study of
new parallel robot mechanism and to the study of theory
and application of other type parallel robots. This will
help promote the development of robotic technologies of
our country.
Key Words Parallel Robot; Kinematics; Lotus-Circle Method;
Dynamics; Adaptive Force Control
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论文题目：
6-RTRT并联机器人及其自适应力控制研究 
