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文檔簡介
1、作為一種先進的生產(chǎn)工具,機器人已經(jīng)被廣泛應用于多個領(lǐng)域。利用機器人不僅能夠完成大量簡單重復性工作,而且可以完成許多以前必須通過人工才能完成的復雜工作,在提高效率的同時改善了質(zhì)量。但傳統(tǒng)的串聯(lián)機器人存在關(guān)節(jié)誤差累積效應、末端執(zhí)行器剛度較低和負載驅(qū)動能力有限等問題,這都限制了串聯(lián)機器人在實際應用中的性能。 為了彌補串聯(lián)機器人的不足,人們提出了一種新型的具有多運動鏈結(jié)構(gòu)的機器人——并聯(lián)機器人。從機構(gòu)學上看,并聯(lián)機器人具有運動慣量低、剛
2、度大、負載能力強等優(yōu)點,這恰恰彌補了串聯(lián)機器人的不足,使得并聯(lián)機器人成為一個潛在的高性能運動平臺。 雖然多運動鏈結(jié)構(gòu)給并聯(lián)機器人帶來了許多潛在性能優(yōu)勢,但是同時也大大增加了并聯(lián)機器人的復雜程度,這使得并聯(lián)機器人的機構(gòu)設(shè)計和實際應用都非常困難,從而限制了并聯(lián)機器人的實際性能。本論文以一個平面二自由并聯(lián)機器人為研究對象,從參數(shù)優(yōu)化設(shè)計、運動學標定方法和軌跡跟蹤控制器設(shè)計三個方面對并聯(lián)機器人性能改進方法進行了系統(tǒng)深入的研究。
3、由于并聯(lián)機器人的實際性能對于各個部件的幾何參數(shù)十分敏感,因此良好的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是充分發(fā)揮并聯(lián)機器人性能的基礎(chǔ)。但由于并聯(lián)機器人本身所具有的復雜的多運動鏈結(jié)構(gòu),在并聯(lián)機器人參數(shù)優(yōu)化設(shè)計過程中往往存在奇異性復雜,參數(shù)眾多,需要兼顧多個設(shè)計目標的困難。本文以線性矩陣不等式LMI為數(shù)學工具,給出了并聯(lián)機器人常見性能指標的LMI形式。在此基礎(chǔ)上,采用基于LMI的優(yōu)化方法,對平面二自由度并聯(lián)機器人的無奇異性設(shè)計問題和連桿長度優(yōu)化設(shè)計問題進行了研究。
4、 在實際應用中,由于不可避免的加工公差和裝配誤差,并聯(lián)機器人各個運動學參數(shù)的實際值往往和名義值之間存在偏差。因此通過運動學標定的方法來估計并聯(lián)機器人運動學參數(shù)的實際值,成為提高并聯(lián)機器人精度的重要手段。本文中,通過消除閉鏈約束方程中的被動關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角,給出了一種形式更為簡潔的平面二自由度并聯(lián)機器人閉鏈約束方程表達式,并構(gòu)造了一個新的誤差函數(shù)。通過最小化該誤差函數(shù),對平面二自由度并聯(lián)機器人的自標定問題進行了仿真研究。進一步,推導得到了
5、平面二自由度并聯(lián)機器人的運動學參數(shù)誤差模型,設(shè)計了一種基于兩步迭代的運動學參數(shù)標定方法,并通過仿真實驗對該方法的有效性進行了研究。此外,利用并聯(lián)機器人主動關(guān)節(jié)跟蹤誤差投影,給出了主動關(guān)節(jié)跟蹤誤差可行分量和不可行分量的定義,并提出了一個基于主動關(guān)節(jié)跟蹤誤差不可行分量的誤差函數(shù),用于標定并聯(lián)機器人關(guān)節(jié)傳感器零點位置偏角。在證明該誤差函數(shù)對關(guān)節(jié)角度測量值誤差具有魯棒性的基礎(chǔ)上,通過實際標定實驗對該方法的標定效果進行了研究。 良好的控制
6、器設(shè)計是提高并聯(lián)機器人精度的關(guān)鍵。首先對并聯(lián)機器人的Lagrange建模法進行了總結(jié),通過將其分為Lagrange函數(shù)建立、Euler-Lagrange方程推導、閉鏈約束方程推導、獨立坐標選取和約束內(nèi)力消除五個步驟,并給出了一般的并聯(lián)機器人Lagrange建模方法。在使用Lagrange法得到微分方程形式的并聯(lián)機器人動力學模型的基礎(chǔ)上,選取跟蹤誤差為狀態(tài)變量,推導得到了狀態(tài)方程形式的動力學模型。采用LQR方法獲得了最優(yōu)的反饋控制律,并最
7、終獲得了一種基于動力學前向補償?shù)淖顑?yōu)控制器設(shè)計。利用所得到的最優(yōu)控制器,對平面二自由度并聯(lián)機器人的軌跡跟蹤問題進行了仿真研究。本文還對并聯(lián)機器人控制器設(shè)計中的關(guān)節(jié)摩擦力補償問題進行了研究。利用庫侖摩擦力和粘滯摩擦力模型建立了平面二自由度并聯(lián)機器人的關(guān)節(jié)摩擦力模型。通過將并聯(lián)機器人的動力學模型轉(zhuǎn)化為一組關(guān)于關(guān)節(jié)摩擦力模型參數(shù)的線性方程,采用最小二乘法辨識得到了并聯(lián)機器人關(guān)節(jié)摩擦力參數(shù)。在此基礎(chǔ)上,提出了一種帶有前向摩擦力補償?shù)脑鰪VPD控制
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