空间三平移并联机器人运动学特性及动力学控制研究

发布时间：2018-09-01 18:25

【摘要】：随着劳动力成本快速上升和产业结构的调整升级,机器人替代人工劳动力成为了行业快速发展的催化剂,并且使得各产业的经济性拐点加速到来。世界主要经济体纷纷将发展机器人产业上升为国家战略。我国工信部也发布了《关于机器人产业健康发展的指导性意见》,明确指出,随着我国从制造大国向制造强国迈进,对机器人的需求呈现出爆发性态势。在机器人领域,相较于串联机器人,并联机器人具有结构紧凑、强承载能力、高刚度、无累积误差、高精度等特点,已越来越受到人们的关注。随着并联机器人应用领域的扩展,人们发现很多实际操作任务,诸如在电子、食品、包装和机械装配等领域,不需要机器人具有空间全部六个自由度,只需要三个平移自由度就可以满足使用要求。并联机器人自由度的减少也使运动副和杆件数相应减少,从而并联机器人的机械结构更加简单,使设计、制造和控制的成本得到降低。特别是那些拥有相同分支链、结构对称和各向同性特性的三平移并联机器人,应用前景更加广阔。本文在国家自然科学基金(51275275)和山东省优秀中青年科学家科研奖励基金(BS2010HZ010)的资助下,完成了空间对称三平移并联机器人的型综合、尺寸优化及动力学控制的研究。第一,利用基于约束螺旋理论求解自由度的方法,依据运动支链中运动副种类及数目的不同,将空间对称三平移并联机器人划分为13种类型,并详细探讨了每类并联机器人分支链中各运动副在空间的布置形式。依据并联机器人各分支链对运动副的布置要求,将3-CRP并联机器人作为本文的并联机器人构型。第二,建立了并联机器人运动学模型,提出了改进型的全局性运动学评价指标,详细分析了并联机器人各几何尺寸参数对其工作空间、灵巧度及速度性能的影响规律。第三,在正交试验法分析的基础上,提出了因素贡献量(FC)概念,研究了并联机器人几何尺寸参数对其工作空间、灵巧度及速度性能等运动学特性的贡献量大小。采用自适应遗传算法,以并联机器人工作空间、灵巧度及速度性能为优化目标,对并联机器人的几何尺寸进行了优化。第四,利用虚功原理建立了并联机器人的动力学模型。采用基于动力学补偿的计算力矩控制方案,对并联机器人的轨迹跟踪进行控制,并通过Simulink与ADAMS联合仿真验证了计算力矩控制的可靠性。分析得到并联机器人动力学建模误差的存在以及不确定性因素干扰情况下,计算力矩控制效果欠佳,基于此采用了鲁棒控制方案,通过联合仿真验证了鲁棒控制的有效性。
[Abstract]:With the rapid increase of labor cost and the adjustment and upgrading of industrial structure, robot replacement of artificial labor has become the catalyst of rapid development of the industry, and the economic inflection point of various industries has been accelerated. Major economies in the world have upgraded the development of the robotics industry into a national strategy. The Ministry of Industry and Information Technology of China has also issued the guiding opinion on the healthy Development of Robot Industry, which points out clearly that with the development of our country from a large manufacturing country to a powerful manufacturing country, the demand for robots presents an explosive trend. In the field of robot, compared with serial robot, parallel robot has been paid more and more attention because of its compact structure, strong bearing capacity, high stiffness, no accumulated error and high precision. With the expansion of parallel robot applications, it has been found that many practical tasks, such as electronics, food, packaging and mechanical assembly, do not require the robot to have all six degrees of freedom in space. Only three degrees of translation are required to meet the requirements. The reduction of the degree of freedom of the parallel robot also reduces the number of the kinematic pair and the number of the rod, so that the mechanical structure of the parallel robot is simpler and the cost of design, manufacture and control is reduced. Especially those tri-translational parallel manipulators with the same branching chain, symmetrical structure and isotropic characteristics have a wider application prospect. In this paper, with the support of the National Natural Science Foundation of China (51275275) and the Science and Research Award Foundation of Shandong Province for Young and Middle-aged scientists (BS2010HZ010), the research on the type synthesis, size optimization and dynamic control of the space symmetric three-translational parallel robot has been completed. Firstly, the method of solving degree of freedom based on constrained helical theory is used. According to the different types and numbers of kinematic pairs in the kinematic branching chain, the spatial symmetric three-translational parallel robot is divided into 13 types. The spatial layout of each kinematic pair in each kind of parallel robot branching chain is discussed in detail. According to the requirements of each branch chain of the parallel robot for the kinematic pair arrangement, the 3-CRP parallel robot is used as the configuration of the parallel robot in this paper. Secondly, the kinematics model of parallel robot is established, and an improved global kinematics evaluation index is proposed. The effects of geometric parameters of parallel robot on workspace, dexterity and speed performance are analyzed in detail. Thirdly, based on the analysis of orthogonal test method, the concept of factor contribution quantity (FC) is proposed, and the contribution of geometric dimension parameters of parallel robot to its workspace, dexterity and velocity performance is studied. Using adaptive genetic algorithm (AGA) to optimize the workspace, dexterity and speed performance of parallel robot, the geometric size of parallel robot is optimized. Fourthly, the dynamic model of parallel robot is established by using the principle of virtual work. The trajectory tracking of the parallel robot is controlled by a dynamic compensation based moment control scheme, and the reliability of the calculated torque control is verified by Simulink and ADAMS simulation. By analyzing the dynamic modeling error of parallel robot and the disturbance of uncertain factors, the calculated torque control effect is not good. Based on this, the robust control scheme is adopted, and the effectiveness of the robust control is verified by joint simulation.
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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本文编号：2217990