超声电机驱动机器人鲁棒性控制研究

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1、南京航空航天大学硕士学位论文超声电机驱动机器人鲁棒性控制研究姓名：帅双辉申请学位级别：硕士专业：机械电子工程指导教师：孙志峻20071201南京航空航天大学硕士学位论文 I摘 要 超声电机是一种全新结构和原理的新型电机 它具有低速大转矩及断电自锁等特性足以使其成为较理想的小型机器人执行器 , 在众多领域中有着广泛的应用前景 目前超声电机从理论到设计制造技术都取得了实质性突破 制约其进一步发展的一个主要瓶颈是其实际应用还未全面展开 这使得应用研究成了超声电机新的重要的研究课题 为了研究超声电机的控制策略以应用于空间机器人 本文以超声电机为驱动器研制了一个多关节机器人系统 其控制目标是轨迹精确跟踪

2、和速度平稳运动 首先 机器人的设计采用了虚拟样机技术 运用三维机械设计软件 SolidWorks 设计了多关节机器人 为了验证机器人的性能 利用 Adams 进行了运动学和动力学仿真同时 对机器人的 控制操作界面 进行了设计 其次 由于超 声电机响应速度极快 很难采用普通电机的控制方法 通过大量的位置反馈和速度反馈控制实验 本文提出了 速度 位置 联合反馈控制系统 并 采用了田口法优化了机器人的控制参数 分析 了 相应控制算法的稳定性 在实际应用上达到了较好的控制效果 最后 根据模糊控制原理并结合 PID 控制 提出了一种自 调节 模糊 PID 控制方案控制结构中采用模糊系统去补偿过程的不确定

3、性 不仅可以获得较好位置精度 而且确保了运行的平稳性 在实际应用上 取得了好的控制效果 关键词 : 超声电机 多关节机器人 PID 控制 田口法 自 调节模糊控制 超声电机驱动机器人鲁棒性控制研究 IIABSTRACT The ultrasonic motor (USM) is a novel motor with completely new structure and new driving principle, which is expected to be used in many important fields. Recently, substantive breakthrough

4、 has been accomplished not only in the USMs theory, but also in its design and manufacture technique. What prevents the USM from farther development, today, is that it has not been used in engineering as widely as it is expected. Therefore, it has become one of the most important things to accelerat

5、e the industrialization application step of the USM. In order to examine USMs control strategies for the next generation of space robots, this paper developed a multiple joint robot driven by ultrasonic motors and the goals of the robot control are accurate tracking and smooth movement of the robot.

6、 Firstly, Virtual Prototyping Technology has been adopted in the design period of the robot. The multi-joint robot has been designed by means of SolidWorks, which is 3D mechanical design software. In order to ensure the performance of the robot, kinematic and kinetic simulation of the robot has been

7、 analyzed by means of Adams. The interface of control software has also been designed. Secondly, due to the very quick response of USMs, control strategies of electromagnetic motors are hard to be applied in the robot driven by USMs. Based on the large experiments of position feedback control and ve

8、locity feedback control, a velocity-position feedback control system has been proposed. This new control system is a kind of double-loop feedback control, which is on the basis of velocity feedback and assisted with position feedback. Taguchi method has been used to select a set of optimal control p

9、arameters and the robust of control has also been analyzed. The actual experiment shows that the control system is effective to achieve the goals of robot control. Finally, based on the combination of fuzzy logical and PID control, a new auto-tuning fuzzy PID control system has been proposed, which

10、can not only ensure higher position accuracy but also keep the robot operating smoothly. The effectiveness of robot control system has been verified by some experimental results. Key Words: Ultrasonic motor, Robot, PID control, Taguchi method Auto-tuning fuzzy control 承 诺 书 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师指导下

11、 独立进行研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 本学位论文的研究成果不包含任何他人享有 著作权的内容 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件 允许论文被查阅和借阅 , 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索可以采用影印 缩印或其他复制手段保存论文 作者签名 日 期 _ 南京航空航天大学硕士学位论文 1第一章 绪 论 1.1 超声电机的发展及其研究 的重要意义 1.1.1 超声电机的发展概述 超声电机 这个名词对大多数人来说或许还比较陌生 但它却不能算是什么 新鲜之物 早

12、在 1942 年 Willams 和 Brown 就在其所提交的一份专利报告 1中第一次公布了超声电机的基本设想 该电机的结构如图 1.1 所示 它与现今的杆式行波电机的原理非常接近 遗憾的是 受当时及此后相当长的时间内的材料匮乏 技术落后的限制该电机并没有实现 一直到上世纪 60 年代 随着非线性动力学 电力电子技术 特别是材料科学的发展 当具有较高机电转换效率和较高机电耦合功能的压电材料大量 出现以后 超声电机才开始真正地从设想变成为现实 驱动片B相A相 驱动振子1驱动振子2转子图 1.1 Williams 和 Brown 的超声电机设想 图 1.2 H. V. Barth 的超声电机驱动

13、原理 第一台超声电机于 1961 年问世 当时 日本的 Bulova Watch Co. Ltd 第一次利用电磁力对一叉形弹性体进行激振 并用被激振的弹性体驱动钟表内的齿轮 这种钟表走时准确 每月只有一分钟误差 在当时引起了极大的轰动 1963 年 前苏联科学家M.E.Archangelskij 设计了一台利用纵向和弯曲耦合振动的振动片型超声电机 2 并根据振动合成及间断接触理论阐释了该电机的原理 此后 超声电机的研究沉寂了一段时间大约过了十年左右的时间 人们开始利用压电效应研制直线驱动装置和步进电机 并在1970 1972 年间 由 Siemens 和 Matsushita 电子工业公司研制

14、出了具有实际应用前景的压电超声电机 3 遗憾的是 由于当时的压电材料在几十千赫甚至更高的频率下激励振动件 振子 时 振动件产生的振幅 太 小 不能获得有意义的扭矩 因而这种 电机并未得到推广 1973 年 IBM 公司的 H.V.Barth提出了一种极富创意的基于压电超声振动的旋转型电机 如图 1.2 所示 该电机采用压电元件驱使具有牛角尖结构的弹性体产生纵向振动 并通过牛角尖与转子表面的接触和摩擦来驱使转子转动 当改由另一个压电元件超声电机驱动机器人鲁棒性控制研究 2激振时 转子的转向正好相反 这种电机称得上是驻波超声电机的雏型 可惜的是它没有得到实际应用 几乎同时 前苏联的 V. V. L

15、avrinenko 等人研究出了与 H.V.Barth具有几乎同样原理的几种超声电机 并且概括出了超声电机的结构简单 成本低 低速大扭矩 大 功率 定位精确 能量转换效率高等基本特性 1978 年 前苏联的 Vasiliev等人成功地研究出了一种能够驱动较大负载的压电超声电机 该电机采用压电超声换能器作为振子 电机工作时 通过超声换能器的激振使得与转子接触的振动片作纵向振动 再通过振动片与转子间的摩擦力来推动转子 这种结构的电机的优点在于它不仅能降低共振频率 放大共振振幅 而且能产生较大的驱动力 但这种电机在连续运转的条件下由于温升及摩擦磨损等原因而很难保持振动片的恒幅振动 故它也未得到实用

16、与此同时 日本山形大学的富川义郎教授通过对压电陶瓷的振动 弹性力学理论及应用的研究证明了超声电机的设计与实用的可行性 4 上世纪 80 年代是超声电机步入工程实用化的极为重要的阶段 1980 年日本的 T. Sashida 在 Vasiliev研究的基础上 成功地研制出一种驻波型超声电机 该电机的定子采用 Langevin 振子作为激振器 其输出扭矩为 0.25Nm 机械输出功率为 50W 这种电机在性能上第一次满足了实际应用的要求 4 但是由于振动片与转子之间的接触始终固定在同一个位置上 它仍存在接触表面的严重摩擦磨损问题 两年后 为了解决电机摩擦磨损问题 T.Sashida 又提出并实际制造出了另一种超声电机 即行波型压电超声电动机行波电机实现了由驻波的定期 定点推动转子到行波连续不断地推动转子的驱动方式的转换 大大地降低了定 /转子界面间的摩擦和磨损 这种电机能够运转的实质就是定