并联机器人-习题解答-第11章 并联机器人的控制习题解答-20210528

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2024年1月19日发(作者：)

第11章 并联机器人的控制习题解答

三江学院 许兆棠 刘远伟

11-1. 绘制并联机器人控制系统的组成的示意图，介绍并联机器人控制系统。

解：

并联机器人控制系统的组成的示意图：

图11-1 并联机器人控制系统的组成

并联机器人控制系统：

（1）并联机器人本体

并联机器人本体由并联机构、动平台上的操作器和驱动系统组成。

1）并联机构

并联机构是并联机器人的执行部分的主要部分，通过机构的运动确定动平台及操作器的运动，决定了动平台及操作器自由度、工作空间、奇异位形、主要工作精度等，没有并联机构，就没有并联机器人。

2）操作器

操作器是并联机器人的执行机构，除了操作器本身的驱动器控制其运动外，操作器的运动主要取决于动平台的运动。

3）驱动系统

驱动系统由驱动器、动力装置和驱动控制器等组成，驱动器和动力装置是驱动系统本体。驱动系统的形式有液压、气压、电和微驱动系统。

（2） 控制系统

控制系统由驱动控制系统、计算机硬件和控制软件、输入/输出设备（I/O设备）和传感器组成，如图11-1中虚线框中所示。

1）驱动控制系统

驱动控制系统控制驱动器，使驱动器按照操作器的位姿要求工作，为并联机器人提供动力和运动。

2）控制部分

计算机硬件和控制软件、输入/输出设备（I/O设备）是控制系统的控制部分，计算机硬件和控制软件组成控制器，通过计算机硬件和控制软件控制驱动器等的运动，并通过传感器的负反馈信息修正驱动器的运动，输入/输出设备（I/O设备）用于输入控制数据和修改控制软件，改变驱动器输出的运动和力的变化的规律；从I/O设备输入的控制数据主要是动平台工作中的位姿数据；驱动器输出的运动和力的变化的规律和要求决定了控制系统的控制规律，也决定了控制软件。

3）传感器

传感器为控制系统的传感部分，用于监视操作器或动平台、驱动器和其他工作器件的运动、力和温度等；对操作器或动平台监视的传感器，监视操作器或动平台的位姿、速度和加速度；对驱动器监视的传感器，监视驱动器输出的动力和运动；对其他工作器件监视的传感

器，有监视连杆的力的传感器，有监视操作器、动平台和连杆的温度的传感器等；传感器将监视得到的信息负反馈给控制器；没有传感器的并联机器人由人控制；对动平台和操作器没有传感器监视的并联机器人，为并联机器人本体开环控制的并联机器人；对动平台和操作器有传感器监视并有负反馈信息给控制器的并联机器人，为并联机器人本体闭环控制的并联机器人。

11-2. 按并联机器人的运动和动力控制，并联机器人的控制系统分为哪几类？

解：

按并联机器人的运动和动力控制，并联机器人的控制系统的分类：

（1）运动控制

完全不考虑并联机器人的动力学特性，只是按照并联机器人实际轨迹与期望轨迹间的偏差进行负反馈控制，这类控制称为运动控制，其控制器常采用PID控制。

（2）动态控制

根据并联机器人动力学模型设计出更精细的非线性控制程序，称为动态控制。

11-3. 按并联机器人的动平台在空间的位姿，并联机器人的控制系统分为哪几类？

解：

按并联机器人的动平台在空间的位姿，并联机器人的控制系统的分类：

(1)点位控制

根据工作要求，控制动平台运动到要求的位姿，称为点位控制。可以要求控制动平台运动到一个位姿，也可以要求控制动平台依次运动到多个位姿，在要求的相邻的位姿之间，对动平台运动位姿和路径没有工作要求。

(2)轨迹控制

根据工作要求，控制动平台按要求的轨迹运动，称为轨迹控制。

11-4. 按并联机器人的控制反馈，并联机器人的控制系统分为哪几类？

解：

按并联机器人的控制反馈，并联机器人的控制系统的分类：

（1）开环控制

对动平台和操作器的位姿没有负反馈的控制，仅对驱动控制系统有负反馈的控制，为并联机器人的开环控制。

（2）闭环控制

对动平台和操作器的位姿有负反馈的控制，且对驱动控制系统有负反馈的控制，为并联机器人的闭环控制。对于并联机器人的闭环控制，控制系统自带控制误差的补偿程序，用于弥补动平台和操作器的位姿误差。

11-5. 按并联机器人的控制方法，并联机器人的控制系统分为哪几类？

解：

按并联机器人的控制方法，并联机器人的控制系统的分类：

（1）基于模型的控制

根据并联机构的模型，确定驱动器的运动，实施其控制，称为基于模型的控制。这是最基本的控制方法。并联机构的模型的精度是控制精度的基础。

（2）力、温度控制

利用连杆、操作器上力传感器反馈信息，修改控制参数或补偿动平台或操作器位姿误差

的方法，这是反馈控制中的一种力控制方法。同样，可以根据动平台和环境温度反馈信息，修改控制参数或补偿动平台或操作器的位姿误差，形成温度控制等。

（3）PID控制

PID控制系统中采用PID控制器进行控制。PID控制器（比例-积分-微分控制器）是常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID控制的基础是比例控制；积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调量；微分控制可加快惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。

（4）自适应控制

自适应控制是一种基于数学模型的控制方法，在系统的运行过程中，不断提取有关并联机构模型的信息，使并联机构的模型逐步完善。

（5）鲁棒控制

通过对不同状态下并联机构的模型误差定量分析，得到误差上限值，再基于李雅普诺夫的控制方法，对PID控制器的输出量增加修正项，保证模型误差渐进稳定。

（6）神经网络和模糊控制

神经网络和模糊控制是基于神经网络和模糊数学，对PID控制器的输出量增加修正项，控制和补偿并联机构的模型误差。

（7）智能控制

将智能控制用于并联机器人，形成并联机器人的智能控制。在并联机器人的智能控制中，并联机器人按工作要求设置程序，并控制动平台和操作器的运动，传感器反馈动平台、操作器的位姿和驱动器的位置、速度等信息，控制系统智能修改驱动器的运动，使动平台、操作器的位姿满足工作要求。

11-6. 并联机器人的控制要求有哪些？

解：

并联机器人的控制要求：

1. 满足工作要求

满足动平台或操作器的工作要求，是最基本的控制要求，包括动平台或操作器的工作位姿、速度、加速度、工作空间和规避奇异位形等要求。

2. 满足定位精度和重复定位精度的要求

满足动平台或操作器的精度要求，包括动平台或操作器的定位精度和重复定位精度。

3. 满足驱动和承载能力的要求

满足驱动能力要求，是要保证并联机器人有足够的动力性。满足承载能力要求，是要保证并联机器人有足够的强度和刚度，不产生强度破坏。

4. 满足运动不干涉的要求

并联机器人有多个驱动，驱动中，各连杆要不产生干涉；动平台和操作器的尺寸较大，在运动过程中，对外不产生干涉；各驱动器要协调一致的工作，其驱动和驱动控制互不干涉。

5. 满足工作效率的要求

并联机器人要有一定的工作效率，工作效率低影响并联机器人的使用。在提高工作效率的控制中，要注意并联机器人的最大工作速度不要过大，最大工作速度大，惯性力大，会影响并联机器人的强度和稳定性，还会使连杆的伸长量增大，影响并联机器人的工作精度。

6. 满足工作稳定的振动的要求

并联机器人工作过程中，要求工作稳定，不产生失控现象，不产生共振及大的振幅，不产生奇异、突变等失稳现象。

11-7. 绘图叙述并联机器人的并行同步控制的策略。

解：

并联机器人的并行同步控制的策略：动平台由一个位姿运动到另一个位姿时，在同一时间内，同时检测各驱动子系统本体的驱动器的位移和速度信息等，同时控制各驱动子控制器，各驱动子系统本体的驱动器同时完成驱动任务，包括为完成工作任务，控制某个驱动器不动；还在同一时间内，同时检测并联机构的动平台位姿和速度信息等，同时检测连杆的位移和速度信息等，同时检测操作器的力和速度信息等，再控制动平台和操作器的位姿。并行同步控制的策略不是并联机器人唯一的控制的策略。

图11-2 并行同步控制的策略

11-8. 绘图叙述并联机器人的点位反馈控制。

解：

并联机器人的点位反馈控制：在动平台上安装位姿传感器，直接反馈动平台的位姿信息，或在定平台上安装视觉传感器，视觉反馈动平台的位姿信息；在点位控制的基础上，利用传感器的反馈信息，通过控制各连杆的伸长量，减小或消除点位控制误差，满足点位的工作要求。

图11-4 并联机器人的点位反馈控制

11-9. 绘图叙述并联机器人的轨迹反馈控制。

解：

并联机器人的轨迹反馈控制：在动平台上安装位姿传感器，或在定平台上安装视觉传感器，在轨迹控制的基础上，利用传感器反馈的动平台位姿信息，由动平台和连杆之间的位姿关系方程式反解，计算得到各连杆的伸长量，通过控制各连杆的伸长量，或通过控制各连杆的伸长量误差，减小或消除轨迹控制误差，或仅利用传感器反馈的位姿信息，直接改变各连杆的伸长量，形成智能控制，减小或消除轨迹控制误差，满足轨迹工作要求。

图11-9 并联机器人的轨迹反馈控制

11-10. 绘图叙述并联机器人的力控制的原理。

解：

并联机器人的力控制的原理：并联机器人的控制器，根据动平台的工作点位或轨迹，通过并联机器人的位姿反解或正解等计算，输出位姿控制数据；根据连杆、动平台或操作器上的力传感器反馈信息，输出力反馈控制数据；驱动器根据并联机器人的位姿控制数据和力反馈控制数据，控制各连杆的伸长，使动平台或操作器按要求的工作位姿运动，或者说，并联机器人的力控制是在机器人位姿控制的基础上，引入力的反馈信息产生的驱动器的位移、速度和加速度的增量，并考虑控制的稳定性，控制各连杆的伸长，减小或消除力的误差，使动平台或操作器按要求的工作位姿运动。

图11-10 并联机器人的力控制

11-11. 简述并联机器人的静力学反馈控制数据的计算方法。

解：

并联机器人的静力学反馈控制数据的计算方法：

作用在动平台上的广义静力与连杆的伸长量的关系：

FJTXKll （11-2）

式中，F为作用在动平台上广义静力的列矩阵，见式（6-35）；JTX为逆速度雅可比矩阵的转置；Kl为并联机器人的总静刚度矩阵；l为连杆的伸长量的列矩阵，ll1,l2,,l6T，li是第i 根连杆的伸长量。

力传感器安装在动平台或操作器上，可通过力传感器，测出作用在动平台上广义静力的列矩阵；根据并联机器人的速度分析，可计算得逆速度雅可比矩阵的转置；根据连杆的材料和伸长量等，由式（6-59）和式(6-58)，可计算得kli及Kl；这样，由式（11-2），可以得到连杆的伸长量的列矩阵l和第i 根连杆的伸长量，这个第i 根连杆的伸长量就是静力学反馈控制数据，用于补偿静力误差。

11-12. 简述并联机器人的动力学反馈控制数据的计算方法。

解：

并联机器人的动力学反馈控制数据的计算方法：

并联机器人的驱动力的大小的列矩阵：

fDJAATlAGAFPATmPAPOpJAlAAA~AAMPIPPPIPPTAbGiJJTli166AJJGbimbiabGiJAATATli16i16ATJiAA~AIiAICibAiCibiT

 （11-3）ATli1ATABGiGBimBiaBGiJTATlATJiA~AIAiAIBiAiBiiT力传感器安装在动平台或操作器上，可通过力传感器，测出AFP和AMP；根据动平台的位姿态和运动，又根据GP、Gbi、GBi、IP、ICib和IBi等，可计算得式（11-3）等号右边的等2～5项；这样，由式（11-3），可计算得fD和fDi，再根据连杆的材料和伸长量等，

由式（6-59）和式(6-58)，可计算得kli及Kl，取fDifDki，再由式（11-1），可以得到第i

根连杆的伸长量，这个第i 根连杆的伸长量就是动力学反馈控制数据，用于补偿动力学误差。

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