[发明专利]一种用于并联机构的动态性能分析方法

说明书

本发明公开了一种用于并联机构的动态性能分析方法，属于机电一体化技术领域。该方法首先在关节空间建立并联机构的动力学模型，计算驱动轴的最大负载惯量；建立并联机构驱动轴的双惯量控制系统，获得角速度传递关系与角度位置传递关系；进一步为双惯量控制系统选择合适的总体阻尼比，并确定速度环控制器及位置环控制器的控制参数；最后计算双惯量控制系统第一、第二阻尼比的变化及第一、第二固有频率的变化，用于解释并联机构的动态性能变化。本发明为分析并联机构这一复杂机电一体化装备的动态性能提供了有效的工具。

技术领域

本发明属于机电一体化技术领域，特别涉及并联机构这一复杂机电一体化装备的动态性能分析问题。

背景技术

相对传统的串联机构，并联机构在理论上具有更高的刚度质量比以及更好的加速度能力，因此并联机构具有更好的动态性能潜力。在过去的二十年中，大量基于并联机构的工业应用相继出现，尤其是一些面向高速应用场景的机电一体化装备，例如并联主轴头，运动模拟器以及拾取机器人。然而，由于并联机构复杂的多闭环结构特点，其动态性能也具有时变的特性，在实际应用中难以保证。因此，为进一步提升并联机构的动态性能，首先就需要深入分析并联机构的动态性能变化，提出一种用于并联机构的动态性能分析方法。

并联机构的动态性能在很大程度上受到其关节空间伺服系统性能的影响，而伺服系统的特性又主要受到负载惯量的影响。在大多数已有的串联机构动态性能分析方法中，关节空间伺服系统均被等效为伺服电机模型，其惯量固定，而负载惯量只作为外部干扰进入伺服系统，并不会对伺服系统的稳定性和性能造成过大的影响。但针对并联机构，由于时变的动态负载特性，其关节空间伺服系统的负载惯量也会出现时变特性，在运动过程中，时变的负载惯量会对闭环系统的性能造成较大的影响，进而引起并联机构的动态性能发生变化，因此，传统的基于伺服电机模型的动态性能分析方法，并不再适用于并联机构。

发明内容

1、一种用于并联机构的动态性能分析方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在关节空间建立并联机构的动力学模型：

式中，τ_m为并联机构的驱动力矩，M为惯量矩阵，C为离心力/科氏力矩阵，G为重力矩阵，与分别为驱动轴伺服电机的角加速度与角速度；

对惯量矩阵M进行奇异值分解，得到最大奇异值J_L，J_L即为驱动轴的最大负载惯量；

2)建立并联机构驱动轴的双惯量控制系统，得到角速度传递关系：

式中，ω_a为负载惯量的实际角速度，ω_r为期望的角速度，K_pv与T_iv分别为速度环控制器的比例增益与积分时间系数，J_m为驱动轴伺服电机的惯量，K_t为力矩系数，s为拉普拉斯算子，ω_n与ω_c分别为反共振频率与共振频率，ω_n与ω_c的计算方法为：

式中，k_s为双惯量控制系统的连接刚度，为惯量比；

基于角速度传递关系，进一步得到角度位置传递关系：

式中，θ_a为负载惯量的实际角度，θ_r为期望的角度，K_pp为位置环控制器的比例增益；

3)以并联机构转角α＝β＝0时为并联机构的原始位姿，α与β为欧拉角；进一步为双惯量控制系统选择总体阻尼比ζ，ζ满足约束关系：