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四自由度冗余并联机器人任务空间动力学建模与滑模控制研究

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摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 并联机器人的发展历史与应用

1.3 并联机器人运动学与动力学研究进展

1.3.1 运动学研究进展

1.3.2 动力学研究进展

1.4 冗余驱动并联机器人研究现状

1.4.1 冗余驱动并联机器人介绍

1.4.2 冗余并联机器人动力学控制研究现状

1.5 本文的主要研究工作

1.5.1 本课题研究对象

1.5.2 论文研究的主要内容,目的与意义

1.6 本章小节

第二章 四自由度冗余并联机器人运动学与动力学分析

2.1 引言

2.2 四自由度冗余并联机器人结构参数

2.3 四自由度冗余并联机器人运动学分析

2.3.1 位置正解

2.3.2 位置反解

2.3.3 工作空间分析

2.3.4 奇异位形分析

2.4 四自由度冗余并联机器人动力学分析

2.4.1 Lagrange法动力学建模基本原理

2.4.2 动力学模型建立

2.4.3 动力学模型可靠性验证

2.5 本章小结

第三章 四自由度冗余并联机器人控制系统硬件设计

3.1 引言

3.2 四自由度冗余并联机器人控制系统硬件结构

3.3 运动控制卡选型及其相关介绍

3.3.1 运动控制卡介绍

3.3.2 运动控制卡编程常用函数介绍

3.4 驱动装置的选择

3.4.1 交流伺服系统及其控制模式

3.4.2 步进驱动系统

3.5 本章小节

第四章 四自由度冗余并联机器人控制策略研究

4.1 引言

4.2 滑模变结构控制基本原理

4.2.1 滑模变结构控制的定义

4.2.2 滑动模态存在与到达条件

4.2.3 滑动模态运动方程及不变性

4.2.4 滑模变结构控制系统的抖振问题

4.3 四自由度冗余并联机器人新型趋近律滑模控制器设计

4.4 仿真结果及分析

4.5 本章小结

第五章 四自由度冗余并联机器人控制系统软件设计及试验

5.1 引言

5.2 四自由度冗余并联机器人软件设计总体结构

5.3 系统初始化

5.3.1 串口通讯初始化

5.3.2 运动控制卡初始化

5.4 人机交互界面设计

5.4.1 零点标定模块

5.4.2 点动控制模块

5.4.3 末端执行嚣平动运动规划模块

5.4.4 末端执行嚣抓放工件控制模块

5.4.5 系统监控模块

5.5 四自由度冗余并联机器人控制试验

5.6 本章小结

第六章 全文总结

致谢

攻读硕士学位期间发表论文与成果

参考文献

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摘要

并联机器人相对于串联机器人,具有刚度大、承载能力强、精度高、动态性能好及累计误差小等优点,已成为国内外学者的研究热点。驱动冗余对于提升并联机器人的各项性能研究提供了一种新的解决方案,因此对驱动冗余并联机器人的控制研究具有重要的理论意义和实用价值。
  通常,针对并联机器人,基于运动学的控制方法难以直接考虑并联机器人复杂的动力学特性及各个关节和支链之间的耦合关系,难以满足并联机器人高性能要求,因此基于动力学模型的控制方法被提出。考虑到Lagrange法能以简单的形式求得复杂系统动力学方程且具有显式结构,本文采用Lagrange法推导出便于控制律设计和实现的并联机器人动力学模型。从建模角度,并联机器人是一个多变量、多参数耦合的非线性系统,不仅其动力学模型十分复杂,而且难以获得其动力学模型参数的准确值,因此所建立的动力学模型不可避免地存在不确定性。从控制角度,传统的动力学控制方法如增广PD控制和计算力矩控制一般不能有效地解决非线性系统的不确定性问题,而参数识别自适应控制,反推控制,智能控制等方法计算量较大,难以满足并联机器人的实时快速要求。滑模变结构控制是针对非线性不确定系统的一个行之有效的控制方法,该方法无需建立精确数学模型,对外部干扰及系统参数变化具有较强的鲁棒性,并且实现简单、响应快速。因此,本文提出并设计一种新型加权积分增益型指数趋近律滑模控制方法,利用滑动模态的形成,使控制系统对于不确定参数以及外界干扰具有良好的鲁棒性,同时,通过在趋近律的积分项中引入负的加权值,在保证并联机器人系统轨迹跟踪速度和精度的同时,有效降低起始阶段控制力的幅度并有效削弱输出驱动力的抖振。
  本文首先阐述了并联机器人的发展历史和应用,同时对并联机器人运动学、动力学分析及其控制方法的研究现状进行了综述,并对冗余驱动并联机器人的研究现状进行了总结;然后,针对四自由度冗余并联机器人进行运动学分析和任务空间动力学建模,并利用MATLAB完成机器人位置逆解与动力学模型准确性验证;其次,介绍了四自由度冗余并联机器人所采用的“PC+运动控制卡”的分布式硬件系统;然后,基于所构建动力学模型,在任务空间内,提出并设计一种新型加权积分增益型指数趋近律滑模控制方法,利用Lyapunov函数理论证明所设计控制律的稳定性,利用MATLAB对所建立并联机器人动力学模型及所设计控制律进行仿真试验研究,通过与计算力矩控制、一般趋近律滑模控制进行仿真对比,其结果表明了所建立并联机器人动力学模型的正确性以及所设计控制方法的有效性。最后,利用VC++6.0完成对四自由度冗余并联机器人控制系统的软件设计,对人机交互界面各主要模块的设计进行了简要阐述并进行试验研究,试验结果表明在所设计控制器作用下四自由度冗余并联机器人具有良好的运动性能。

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