3-PPSR精密并联机器人动力尺度综合及柔顺控制研究

摘要

精密并联机器人具有刚度大、定位精度高等优点,同时采用压电马达等精密驱动原件驱动,使得精密并联机器人在精密尺度作业中具有广泛用途。精密并联机器人进行作业时,往往与环境对象接触,不再是一个独立的运动控制系统,需要具有一定的柔顺性来适应操作对象,因而研究柔顺控制策略,并将其应用在精密并联机器人十分重要。本文针对于一种3-PPSR构型的精密并联机器人进行动力尺度综合和柔顺控制策略研究应用。
　　3-PPSR精密并联机器人具有多个运动学闭链约束,造成了逆运动学容易获得,而正运动学难的特点。本文利用构型约束关系和矢量理论,得到了逆运动学解析解和雅克比矩阵的显示表达式,采用牛顿迭代法得到了运动学正解数值解,并采用牛顿欧拉法建立了3-PPSR精密并联机器人动力学模型。
　　由于全域可操作度等指标仅描述机构的运动性能,不能反映并联机器人的动力学性能,结合精密并联机器人柔顺控制反应速度快,动力学性能好的需要,以压电马达全域最大驱动力的最小值作为优化目标,对3-PPSR精密并联机器人进行动力学尺度综合。在得到最优关键尺寸的基础上,设计了其动平台,转接座及支链的结构,并利用Abaqus软件对并联机构进行形变分析和模态分析,通过计算得到了各个方向的刚度。
　　压电马达驱动器控制是精密并联机器人位置控制的基础,利用高分辨率光栅尺作为位置反馈元件,设计了饱和积分分离PID位置驱动器。在此基础上根据运动学模型,对3-PPSR精密并联机器人进行位置控制,并通过测量重复性和分辨率,验证了位置控制性能。
　　最后研究了柔顺控制策略中的阻抗力控制的实现方法,并利用安装在3-PPSR精密并联机器人动平台上的六维力/力矩传感器作为力反馈,对其进行阻抗力控制。由于环境参数对于不同的环境对象有很大不同,且经常不能够准确获得,为了避免对环境参数的依赖,在阻抗力控制基础上加入自适应控制器,直接根据力偏差在线调节参考位置,进行3-PPSR精密并联机器人自适应力控制。

目录

3-PPSR精密并联机器人动力尺度综合及柔顺控制研究

RESEARCH ON THE DYNAMIC DIMENSIONAL SYNTHESIS AND COMPLIANCE CONTROL OF A 3-PPSR PRECISION PARALLEL ROBOT

摘 要

Abstract

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 并联机器人发展及研究现状

1.2.2 柔顺控制研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 3-PPSR精密并联机器人运动学与动力学模型

2.1 引言

2.2 3-PPSR精密并联机器人机构简介

2.3 3-PPSR精密并联机器人运动学模型

2.4 3-PPSR精密并联机器人动力学模型

2.5 本章小结

第3章 3-PPSR精密并联机器人动力尺度综合

3.1 引言

3.2 3-PPSR精密并联机器人动力尺度综合

3.2.1 动力学性能指标研究

3.2.2 约束条件

3.2.3 动力尺度综合

3.3 3-PPSR精密并联机器人结构设计

3.3.1 总体结构设计

3.3.2 底座和动平台设计

3.3.3 柔性支杆设计

3.4 3-PPSR精密并联机器人刚度分析

3.5 3-PPSR精密并联机器人模态分析

3.6 本章小结

第4章 3-PPSR精密并联机器人位置控制

4.1 引言

4.2 3-PPSR精密并联机器人控制系统设计

4.3 压电马达驱动器系统位置控制

4.3.1 压电马达驱动器系统数学模型

4.3.2 积分分离式PID控制算法

4.4 3-PPSR精密并联机器人位置控制

4.4.1 3-PPSR精密并联机器人位置控制原理

4.4.2 3-PPSR精密并联机器人位置控制实验

4.5 3-PPSR精密并联机器人重复性与分辨率测试

4.5.1 3-PPSR精密并联机器人位姿检测装置

4.5.2 3-PPSR精密并联机器人分辨率和重复定位精度

4.6 本章小结

第5章 3-PPSR精密并联机器人柔顺控制研究

5.1 引言

5.2 3-PPSR精密并联机器人与环境对象作用等效模型

5.2.1 等效接触模型

5.2.2 柔顺控制目标分析

5.3 3-PPSR精密并联机器人阻抗控制研究及实验

5.3.1 3-PPSR精密并联机器人阻抗控制

5.3.2 力控制的实现方法

5.3.3 阻抗控制实验

5.4 3-PPSR精密并联机器人自适应阻抗力控制研究及实验

5.4.1 自适应阻抗力控制器设计

5.4.2 自适应阻抗力控制实验

5.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明

致 谢