SEM环境下3PRR并联平台奇异区域规避与逃逸控制策略

doi:10.3901/JME.2015.23.001

机械工程学报 ›› 2015, Vol. 51 ›› Issue (23): 1-11.doi: 10.3901/JME.2015.23.001

• 机构学及机器人 • 下一篇

扫码分享

SEM环境下3PRR并联平台奇异区域规避与逃逸控制策略

莫嘉嗣, 张宪民, 邱志成, 魏骏杨

华南理工大学广东省精密装备与制造技术重点实验室广州 510641

收稿日期:2014-12-12 修回日期:2015-09-05 出版日期:2015-12-05 发布日期:2015-12-05
通讯作者: 张宪民，男，1964年出生，博士，教授，博士研究生导师。主要研究方向为精密定位与精密操作、精密电子装备与现代控制技术、精密并联机器人系统、机电系统的振动与噪声控制等。 E-mail：zhangxm@scut.edu.cn
作者简介:莫嘉嗣，男，1987年出生，博士研究生。主要研究方向为精密并联机器人控制。 E-mail：mo.jiasi@mail.scut.edu.cn
基金资助:
国家自然科学基金重大研究计划(91223201)、广东省自然科学基金团队(S2013030013355)和广东省科技计划(2014B090917001)资助项目

Control Strategy Research on Avoid and Escape the Singular Area of the 3PRR Parallel Platform Based on SEM Environment#br#

MO Jiasi, ZHANG Xianmin, QIU Zhicheng, WEI Junyang

Guangdong Province Key Laboratory of Precision and Manufacturing Technology, South China University of Technology, Guangzhou 510641

Received:2014-12-12 Revised:2015-09-05 Online:2015-12-05 Published:2015-12-05

摘要/Abstract

摘要： 微纳操作系统是精密操作、精密加工领域重要组成部分。微纳操作系统的载物平台负责放置样品和大行程搬运样品，需要大行程、高精度的定位。宏微结合的方法能弥补精密定位平台行程不足的缺点，而并联机构能实现高精度定位，因此采用3PRR(3自由度，每条支链包括一个移动副(P)驱动和两个转动副(R))并联平台作为扫描电子显微镜(Scanning electron microscopy, SEM)环境下的宏微结合精密平台中的宏动部分。为了实现大行程、高精度定位，需要分析机构工作空间与奇异性分布。通过推导3PRR运动学方程，求得机构雅可比矩阵，研究雅可比矩阵特性，求得3PRR并联平台非奇异工作空间分布，把机构雅可比矩阵特性与奇异分布引入控制范畴，提出两种奇异区域规避控制策略与一种奇异位型逃逸控制策略。对机构如何规避奇异区域与进入奇异位型后如何快速逃逸提供了理论指导，仿真分析表明，提出的策略对机构精密定位与可控性提供了保障。

关键词: 3PRR, SEM, 并联平台, 规避, 控制策略, 奇异, 逃逸, 微纳操作

Abstract: Micro-nano operating system is an important part in the field of precision operation and machining. The sample stage of the micro-nano operating system is used to place and move samples at large-scale stroke; therefore the sample stage needs to possess the features of large stroke and high precision positioning. Macro-micro combination method can make up the stroke deficiency of the precision positioning platform, whereas parallel mechanism can realize high precision positioning. Hence, under the environment of the scanning electron microscopy (SEM), the 3PRR parallel positioning stage, which has 3 degrees of freedom and whose chains each consist of a prismatic joint and two revolute joints, is adopted to constitute the macro-movement part of the macro-micro combination precision positioning platform. In order to achieve the large stroke and high precision positioning, the workspace and singularity distribution of the 3PRR require to be analyzed. The Jacobi matrix is obtained by calculating the kinematics equation. And after the analysis of the characteristics of the Jacobi matrix, the nonsingular workspace distribution of the 3PRR stage is acquired. Then, based on the characteristics of the Jacobi matrix and the singular workspace distribution, two control strategies are presented for avoiding singular area, and one control strategy for escaping the singular position. The corresponding theory of the strategies is provided. The simulation and analytic results show that these strategies can ensure the precision positioning and controllability of the mechanism.

Key words: 3PRR, avoid, control strategy, escape, micro-nano operation, parallel platform, SEM, singularity

莫嘉嗣, 张宪民, 邱志成, 魏骏杨. SEM环境下3PRR并联平台奇异区域规避与逃逸控制策略[J]. 机械工程学报, 2015, 51(23): 1-11.

MO Jiasi, ZHANG Xianmin, QIU Zhicheng, WEI Junyang. Control Strategy Research on Avoid and Escape the Singular Area of the 3PRR Parallel Platform Based on SEM Environment#br#[J]. Journal of Mechanical Engineering, 2015, 51(23): 1-11.

导出引用管理器 EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

链接本文: http://www.cjmenet.com.cn/CN/10.3901/JME.2015.23.001

http://www.cjmenet.com.cn/CN/Y2015/V51/I23/1

参考文献

[1] 李勇滔，韩立，殷伯华，等．基于SEM的压电式微纳操纵系统[J]．压电与声光，2010(5)：782-785． LI Yongtao，HAN Li，YIN Bohua，et al．Piezoelectric micro-nano manipulating system based on SEM[J]. Piezoelectrics and Acoustooptics，2010(5)：782-785．
[2] 袁帅，王越超，席宁，等．机器人化微纳操作研究进展[J]．科学通报，2013(S2)：28-39．YUAN Shuai，WANG Yuechao，XI Ning，et al．Research progress of robotics based micro/nano-manipulation[J]. Chinese Science Bulletin，2013(S2)：28-39．
[3] 邢航，张铁民，杨秀丽，等．大行程高精度驱动系统的研究[J]．机械科学与技术，2013(6)：888-894．XING Hang，ZHANG Tiemin，YANG Xiuli，et al．Advances in large-stroke and high-resolution drive system[J]. Mechanical Science and Technology，2013(6)：888-894．
[4] SHARON A，HARDT D．Enhancement of robot accuracy using endpoint feedback and a macro-micro manipulator system[C]// American Control Conference，June 6-8，1984，California，San Diego．Washington，DC：IEEE International Conference on IEEE，1984：1836-1845．
[5] SHARON A，HOGAN N，HARDT D．High bandwidth force regulation and inertia reduction using a macro/micro manipulator system[C]// Robotics and Automation，1988．Proceedings，April 24-29，1988，Philadelphia，Pennsylvania．Washington DC：IEEE，1988：126-132．
[6] 王嵩宇，刘剑，宁润涛．SEM在半导体工艺研究中的应用实例[J]．电子与封装，2012(12)：40-43．WANG Songyu，LIU Jian，NING Runtao. SEM application examples in semiconductor technology research[J]. Electronics and Packaging，2012(12)：40-43．
[7] 朱玉龙．基于双压电驱动宏微结合的纳米定位台研究[D]．苏州：苏州大学，2013．ZHU Yulong．Researching on coarse fine nano positioning stage based on dual piezoelectric drive[D]．Suzhou：Soochow University，2013.
[8] 胡兵．基于直线电机宏微双重驱动大行程精密定位台的研究[D]．广州：广东工业大学，2013．HU Bing．Research on macro/micro dual drive precision positioning stage based on linear motor[D]．Guangzhou：Guangdong University of Technology，2013.
[9] 黄真．并联机器人机构学理论及控制[M]．北京：机械工业出版社，1997．HUANG Zhen．Parallel robot mechanism theory and control[M]．Beijing：China Machine Press，1997．
[10] SHIRKHODAIE A H，SONI A H．Forward and inverse synthesis for a robot with three degrees of freedom[C]// Summer Computer Simulation Conference，July 27-30，1987，The Queen Elizabeth Hotel Montreal，Quebec，Canada．San Diego：Society for Computer Simulation International，1987：851-856．
[11] MERLET J P．Parallel robot[M]．2nd ed．Dordrecht：Springer Science & Business Media，2012．
[12] MOHAMMADI D H R，ZSOMBOR-MURRAY P J，ANGELES J．Singularity analysis of planar parallel mani pulators[J]．Mechanism and Machine Theory，1995，30(5)：665-678．
[13] GOSSELIN C M，SEFRIOUI J．Polynomial solutions for the direct kinematic problem of planar three degree of freedom parallel manipulators[C]// Advanced Robotics，1991．'Robots in Unstructured Environments'，91 ICAR．，Fifth International Conference on IEEE，Pisa，Italy Washington，DC：IEEE International Conference on IEEE，1991：1124-1129．
[14] GOSSELIN C，ANGELES J．A global performance index for the kinematic optimization of robotic manipu- lators[J]．Journal of Mechanical Design，1991，113(3)：220-226．
[15] NAGATSU Y，KATSURA S．Macro-micro bilateral control using Kalman filter based state observer for noise reduction and decoupling of modal space[C]// Industrial Electronics Society，IECON 2013-39th Annual Conference of the IEEE，November 10-13，2013，Vienna，Austria．Washington DC：IEEE，2013：4192-4197．
[16] 赵淳生．超声电机技术与应用[M]．北京：科学出版社，2007．ZHAO Chunsheng．Ultrasonic motor technologies and applications[M]．Beijing：Science Press，2007．
[17] 赵淳生，朱华．超声电机技术的发展和应用[J]．机械制造与自动化，2008(3)：1-9．ZHAO Chunsheng．ZHU Hua．Development and application of ultrasonic motors technologies[J]. Machinery Manufacturing and Automation，2008(3)：1-9．
[18] GOSSELIN C，ANGELES J．Singularity analysis of closed-loop kinematic chains[J]. Robotics and Auto- mation，IEEE Transactions on，1990，6(3)：281-290．

SEM环境下3PRR并联平台奇异区域规避与逃逸控制策略

Control Strategy Research on Avoid and Escape the Singular Area of the 3PRR Parallel Platform Based on SEM Environment#br#

PDF

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	史彪飞, 刘忠韬, 孟宪夫, 魏中康, 张伟东, 魏恒. 单电机前驱电动汽车低速辅助转向控制研究[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 125-138.
[2]	万航, 聂士达, 张猗淼, 刘辉, 张晨, 项昌乐. 基于张量积建模的全轮独立转向车辆横向运动控制[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 285-297.
[3]	郭烈, 关龙新, 葛平淑, 吴晓建. 面向网络不可靠的智能汽车纵侧向运动控制研究综述[J]. 机械工程学报, 2026, 62(8): 298-316.
[4]	孟祥飞, 谭国栋, 段学超, 肖佳宣, 姚斌. 基于运动学映射模型的并联驱动式天线座分析与参数优化[J]. 机械工程学报, 2026, 62(5): 182-191.
[5]	陈彦霖, 邓小恒, 张宪民, 黄沿江. 绳驱机器人动力学建模与控制研究综述[J]. 机械工程学报, 2025, 61(19): 1-17.
[6]	张博然, 王军, 杨瑞鑫, 张奎, 熊瑞. 锂离子电池低温自加热电路设计和控制策略研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(14): 212-222.
[7]	陈潇凯, 王泓晔, 刘宏宇, 刘向. 智能底盘半主动悬架与地面切向力协调控制研究[J]. 机械工程学报, 2025, 61(14): 233-242.
[8]	江志刚, 祝青森, 朱硕, 鄢威, 张华. 随机任务驱动下机床间歇状态的动态节能控制方法[J]. 机械工程学报, 2025, 61(11): 348-360.
[9]	赵智远, 杨晓航, 徐梓淳, 李云涛, 汤家文, 赵京东. 新型SSRMS构型可重构空间机械臂的运动学奇异性分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 19-35.
[10]	商德勇, 黄云山, 黄欣怡, 潘崭. 基于奇异摄动的刚柔耦合Delta机器人非线性混合控制[J]. 机械工程学报, 2024, 60(5): 95-106.
[11]	梁旭, 张建勇, 李国涛, 苏婷婷, 何广平, 侯增广. 面向骨折复位手术的冗余并联机构：设计、建模与性能分析[J]. 机械工程学报, 2024, 60(17): 133-146.
[12]	姚玉峰, 裴硕, 郭军龙, 王佳佳. 上肢康复机器人研究综述[J]. 机械工程学报, 2024, 60(11): 115-134.
[13]	刘晓飞, 万波, 陈冉, 袁徽铭, 赵永生. 对称超冗余驱动6RPS并联机构运动性能分析与优化[J]. 机械工程学报, 2024, 60(1): 235-247.
[14]	岳晓明, 臧烁, 徐作珂, 张勤河, 张建华, 霍孟友. 基于6自由度串联机器人的电火花铣削加工轨迹规划及伺服控制策略研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(9): 20-27.
[15]	施国标, 张洪泉, 王帅, 鞠程赟, 桑冬岗. 电液耦合转向系统应急转向控制方法研究[J]. 机械工程学报, 2023, 59(6): 149-158.