并联仿生髋关节试验机的轨迹跟踪控制研究.pdf

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1、机器人现代制造工程(ModemManufacturingEngineering)2016年第7期并联仿生髋关节试验机的轨迹跟踪控制研究+刘相镇，山显雷，程刚(中国矿业大学机电工程学院，徐州221116)，摘要：针对所设计的3SPS+1PS型并联仿生髋关节试验机，利用拉格朗日方程建立了试验机的解析动力学模型。基于所建立的动力学模型，利用增广PD控制策略，设计了并联试验机基于工作空间的多输入／多输出控制器，并用于试验机动平台的轨迹跟踪控制。将增广PD控制的试验结果与PD控制的结果进行对比，可看出利用增广PD控制器可在一定程度上改善试验机动平台的轨迹跟踪精度。关键词：并联仿生髋关节

2、试验机；拉格朗日动力学；轨迹跟踪；增广PD控制中图分类号：THll2文献标志码：A文章编号：1671—3133(2016)07—0035—05DoI：10．16731／i．cnki．1671—3133．2016．07．008Theresearchoftrajectorytrackingcontrolof3SPS+1PSparallelmanipulatorLiuXiangzhen，ShanXianlei，ChengGang(CollegeofMechanical&ElectricalEngineering，ChinaUniversityofMining&Technology，

3、Xuzhou221116，Jiangsu，China)Abstract：Theanalyticaldynamicmodelof3SPS+1PSparallelmanipulatorisestablishedusingtheLagrangeequations．Basedonthedynamicmodel，amulti—input／outputcontrollerbasedonworkingspaceisdesignedwiththehelpoftheaugmentedPDcontrolstrategy，andisusedfortrajectorytrackingcontrolo

4、fthemovingplatform．ThroughthecomparisonoftheresultsofthePDcontrolandaugmentedPDcontrol，itCanbeprovedthattheuseofaugmentedPDcontrollerCallimprovetheprecisionoftrajectorytrack—ingofmanipulatoratacertainextent．Keywords：3SPS+1PSparallelmanipulator；Lagrangeequations；trajectorytracking；augmentedP

5、Dcontrol0引言一种以空间对称3SPS+1PS并联机构为核心模块的并联仿生髋关节试验机是为评价人工髋关节生物材料摩擦磨损特性而设计的⋯。由于并联机构动力学模型通常比较复杂，如何提高动力学求解效率，并能满足实时控制的要求成为并联机构的重要研究方向旧j。并联机构结构上的复杂性给其运动学控制带来一定难度，众多学者从多个角度研究了并联机构的控制问题，并取得了很多成果。在平面并联机构的运动学控制上，复杂的控制理论得到应用，取得了良好的控制效果旧引；在空间并联机构的运动学控制上，学者们提出了很多新颖、复杂的控制算法M引，改善了并联机构的运动学控制性能。但相对于传统的空间·国家自然科

6、学基金资助项目(51275512)并联机构，由于髋关节并联试验机要实现人体髋关节复杂运动轨迹的模拟，不仅运动轨迹较复杂，而且要承载动态的载荷变化，这使得其运动控制问题更加复杂。以并联仿生髋关节试验机为研究对象，建立了基于拉格朗Et方程法并联试验机的解析动力学模型，利用增广PD控制策略，设计了基于工作空间的多输A／多输出控制器，并用于试验机动平台的轨迹跟踪控制，将试验结果与PD控制器作用下得到的结果进行对比分析。1动力学建模本文所研究的并联仿生髋关节试验机由动平台、底面基座和外围支架构成，并联仿生髋关节试验机如352016年第7期现代制造工程(ModemManufacturin

7、gEngineering)图1所示。试验机的拓扑结构简图和样机分别如图1a和图1b所示，图1a中：oi(i=1，2，3)和Ai为球铰的中心位置，Js和P分别表示球副和移动副。将参考坐标系OXYZ固定于底面基座B上，以点0为原点，x轴的负半轴通过点A，，z轴垂直于底面基座平面，方向指向动平台m，Y轴由右手定则确定。相对坐标系oxyz固定于动平台m上，以点0为原点，Y轴通过点Ct：，z轴垂直于动平台平面，并指向其外侧，并、y,z三轴的方向遵循右手定则。h)试验午J叶#机图1并联仿生髋关节试验机在并联试验机动