本文關鍵詞：微納操作環(huán)境下平面3PRR并聯定位系統(tǒng)研究

  更多相關文章： 微納操作環(huán)境 并聯機構 精密定位 自適應控制 超聲波直線電動機

【摘要】：微納操作系統(tǒng)是當今精密操作、精密制造與精密測量技術領域的一個重要發(fā)展方向。一般的微納操作系統(tǒng)包括觀測器,定位平臺,操作器,控制器等。本文研究的內容是基于電子掃描顯微鏡(Scanning Electron Microscopy,SEM)作為觀測器的微納操作系統(tǒng)中的宏動定位平臺。為了同時滿足微納操作與宏微結合的要求,本文研究的宏動定位平臺選用超聲波直線電動機驅動的平面3PRR并聯機構,該機構有3個并聯支鏈,每個支鏈有一個移動副(Prismatic pair,簡稱P副)驅動,兩個從動轉動副(Revolute pair,簡稱R副)。在滿足SEM環(huán)境無磁場與真空操作要求的同時,通過并聯機構優(yōu)化設計與控制相結合的方法,使宏動平臺的定位精度在微動平臺的工作空間內,一般是微米級別的定位,以實現宏微結合的目的。本文研究的微納操作環(huán)境下平面3PRR并聯定位平臺的設計與控制,主要包括如下幾個方面的內容。(1)分析并設計平面3PRR并聯機構。建立平面3PRR并聯機構運動學正、逆解模型,并推導機構的速度雅可比矩陣。結合微納操作工作空間要求,對平面3PRR并聯機構進行工作空間與奇異性分析,得到機構非奇異工作空間分布規(guī)律。根據微納操作精度要求,對平面3PRR并聯機構進行參數優(yōu)化,結合非奇異工作空間約束,優(yōu)化得到平臺運動學設計參數。在此基礎上,對平面3PRR并聯機構進行動力學建模與分析。建立平面3PRR并聯機構動力學模型,通過與軟件仿真結果作對比,驗證模型正確性�；诮⒌膭恿W模型,分析平臺末端動力學特性。最后設計并制造實驗樣機。(2)研究典型平面并聯機構誤差傳遞規(guī)律與參數標定方法。首先建立平面3PRR、3RRR并聯機構的誤差模型,提出一種全局誤差靈敏度指標,基于該指標得到兩種不同機構的主要誤差源,并比較異同。通過比較誤差傳遞矩陣與速度雅可比矩陣發(fā)現,速度雅可比矩陣是降維的誤差傳遞矩陣,因此提出一種廣義雅可比矩陣定義。研究基于誤差模型的參數標定方法,發(fā)現此辨識方法只能辨識部分參數,對于平面3RRR并聯機構而言,主要誤差被辨識;而對于平面3PRR并聯機構,主要誤差辨識不準確。為了彌補此方法的弊端,在機構本體上設計輔助測量點,通過輔助測量點設計輔助測量手段,結合誤差模型辨識方法與輔助測量方法,能提高平面3PRR并聯機構的標定精度。(3)研究平面3PRR并聯機構奇異特性與奇異位型規(guī)避及逃逸方法。并聯機構不可避免的出現奇異區(qū)域與奇異位型,機構的奇異是影響定位精度的其中一個重要因素。為了提高定位精度和靈巧性,增強機構運動可靠性,提出平面3PRR并聯定位平臺奇異區(qū)域規(guī)避與奇異位型逃逸控制方法。在奇異區(qū)域規(guī)避方面,針對兩種不同的情況設計奇異邊界規(guī)避控制方法與變姿態(tài)規(guī)避奇異控制方法。在奇異位型逃逸方面,針對機構三種典型的奇異位型,分別設計了逃逸的步驟。(4)研究平面3PRR并聯定位平臺的驅動與控制。研究驅動關節(jié)驅動特性,通過對超聲波直線電動機建模與系統(tǒng)辨識,設計定位控制算法。在不考慮靜摩擦力死區(qū)影響下,采用模型參考自適應(Model Reference Adaptive Control,MRAC)控制算法對關節(jié)空間進行定位控制,定位效果與常規(guī)算法進行比較。由于均未考慮靜摩擦力死區(qū)影響,軌跡跟蹤誤差仍較大。為了進一步提高軌跡跟蹤精度,設計摩擦力前饋補償控制算法與摩擦力自適應補償控制算法,兩種算法均能較好的補償靜摩擦力死區(qū)影響,提高軌跡跟蹤精度,但是摩擦力前饋補償控制算法需要預先測量靜摩擦力死區(qū)大小,使用局限性較大;而摩擦力自適應補償控制算法能根據廣義偏差大小估測靜摩擦力死區(qū)大小進行自適應補償,使用面更廣。(5)實驗研究,首先對超聲波直線電動機進行辨識與定位控制實驗,然后基于平面3PRR并聯機構進行運動學參數標定實驗,最后進行平臺末端定位控制實驗。
【關鍵詞】：微納操作環(huán)境 并聯機構 精密定位 自適應控制 超聲波直線電動機
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TN16;TH703
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-13
• 第一章 緒論13-39
• 1.1 研究背景與意義13-19
• 1.2 國內外研究現狀綜述19-34
• 1.2.1 定位與驅動方式綜述19-26
• 1.2.2 并聯平臺設計分析方法綜述26-30
• 1.2.3 并聯平臺控制方法綜述30-34
• 1.3 有待進一步研究和解決的問題34-37
• 1.4 主要研究內容與論文組織結構37-39
• 第二章 平面 3PRR并聯平臺分析與設計39-71
• 2.1 引言39
• 2.2 平面 3PRR并聯平臺運動學建模與分析39-51
• 2.2.1 運動學逆解建模與分析39-45
• 2.2.2 平面 3PRR并聯機構速度雅可比矩陣45-46
• 2.2.3 運動學正解建模與分析46-51
• 2.3 平面 3PRR并聯平臺優(yōu)化設計51-64
• 2.3.1 工作空間分析51-56
• 2.3.2 機構奇異分析56-60
• 2.3.3 機構參數優(yōu)化60-64
• 2.4 平面 3PRR并聯平臺剛體動力學建模與分析64-68
• 2.4.1 剛體逆動力學建模64-65
• 2.4.2 動力學模型數值算例與仿真分析65-68
• 2.5 平面 3PRR并聯平臺樣機設計68-69
• 2.6 本章小結69-71
• 第三章 典型平面并聯平臺誤差分析與標定71-91
• 3.1 引言71
• 3.2 平面并聯平臺誤差建模與分析71-85
• 3.2.1 平面并聯平臺（3PRR與 3RRR）誤差建模71-76
• 3.2.2 誤差靈敏度分析76-82
• 3.2.3 誤差模型與速度雅可比矩陣的關系82-85
• 3.3 平面 3PRR并聯平臺運動學參數標定方法研究85-90
• 3.3.1 基于誤差模型的參數標定方法85-87
• 3.3.2 結合輔助測量的參數標定方法87-90
• 3.4 本章小結90-91
• 第四章 平面 3PRR并聯定位平臺奇異特性分析與奇異位型規(guī)避及逃逸方法研究91-105
• 4.1 引言91
• 4.2 確定參數下的奇異特性與分布規(guī)律91-94
• 4.3 奇異區(qū)域規(guī)避控制方法研究94-99
• 4.3.1 變姿態(tài)規(guī)避奇異控制方法95-97
• 4.3.2 奇異邊界規(guī)避控制方法97-99
• 4.4 奇異位型逃逸方法研究99-104
• 4.4.1 奇異位型I逃逸方法99-101
• 4.4.2 奇異位型II逃逸方法101-102
• 4.4.3 奇異位型III逃逸方法102-104
• 4.5 本章小結104-105
• 第五章 平面 3PRR并聯平臺驅動與控制研究105-137
• 5.1 引言105
• 5.2 驅動關節(jié)定位系統(tǒng)建模105-111
• 5.2.1 超聲波直線電動機定位平臺描述106-107
• 5.2.2 超聲波直線電動機定位平臺建模107-111
• 5.3 驅動關節(jié)定位系統(tǒng)辨識111-117
• 5.3.1 基于頻率響應的系統(tǒng)辨識112-113
• 5.3.2 基于最小二乘法的系統(tǒng)辨識113-117
• 5.4 平面 3PRR并聯機構獨立關節(jié)空間控制算法研究117-124
• 5.4.1 積分分離PID定位算法研究117-120
• 5.4.2 模型參考自適應控制（MRAC）定位算法研究120-124
• 5.5 摩擦力補償定位算法研究124-133
• 5.5.1 靜摩擦力對超聲波直線電動機精度影響分析124-128
• 5.5.2 摩擦力前饋補償控制算法研究128-130
• 5.5.3 摩擦力自適應補償控制算法研究130-133
• 5.6 基于摩擦力自適應補償的平面 3PRR并聯平臺半閉環(huán)控制133-136
• 5.7 本章小結136-137
• 第六章 實驗研究137-169
• 6.1 引言137
• 6.2 獨立關節(jié)空間定位控制實驗137-152
• 6.2.1 積分分離PID控制算法實驗140-145
• 6.2.2 模型參考自適應控制（MRAC）算法實驗145-148
• 6.2.3 摩擦力前饋補償控制算法實驗148-149
• 6.2.4 摩擦力自適應補償控制算法實驗149-151
• 6.2.5 實驗結果對比與分析151-152
• 6.3 運動學參數標定實驗152-161
• 6.3.1 結合輔助測量手段的運動學參數標定實驗154-161
• 6.3.2 實驗結果分析161
• 6.4 平面 3PRR并聯平臺末端定位控制實驗161-167
• 6.4.1 平臺末端軌跡跟蹤實驗161-167
• 6.4.2 實驗結果分析167
• 6.5 本章小結167-169
• 總結與展望169-172
• 參考文獻172-186
• 攻讀博士學位期間取得的研究成果186-188
• 致謝188-189
• 附件189

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本文編號：949828