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一种应用于教学实验的平面五杆并联机构的设计与分析

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目录

DESIGN AND ANALYSIS OF PLANAR FIVE BAR PARALLEL MANIPULATOR FOR EDUCATIONAL APPLICATION

一种应用于教学实验的平面五杆并联机构的设计与分析

ABSTRACT

摘 要

ACKNOWLEDGEMENTS

CONTENTS

LIST OF TABLES

LIST OF FIGURES

INTRODUCTION

1.1 Background

1.2 The research in the field

1.3 Basic description and motivation

1.4 The main research work

KINEMATIC ANALYSIS

2.1 Jacobin matrix

2.2 Workspace and inverse kinematic

2.3 Singularity analysis

2.4 The other criteria of the design and analysis

2.5 Summary

DYNAMIC ANALYSIS

3.1 Dynamics of open-chain manipulators

3.2 Dynamic of the five bar manipulator

3.3 Summary

HARDWARE DESIGN

4.1 Overall design

4.2 Controller design

4.3 Power supply module design

4.4 Serial communication circuit design

4.5 Control circuit for motors

4.6 Velocity signal processing circuit for the tachometer

4.7 Additional circuit

4.7.1 A/D filter circuit

4.7.2 A/D reference voltage supply circuit

4.7.3 Optocoupler protecting circuit

4.8 Summary

SOFTWARE DESIGN

5.1 Software design of main controller

5.2 Software design of slave controller

5.3 Motor controller design

5.3.1 The PWM generator and QEI

5.3.2 The PID controller

5.4 Summary

SIMULATION OF THE CONTROL STRATEGY

6.1 PD control strategy

6.2 Augmented PD control strategy

6.3 Computed torque method

6.4 Simulation of the three control algorithm

6.4.1 Simulation result of the PD control

6.4.2 Simulation of the augmented PD control

6.4.3 Simulation of the computed torque method

6.5 Summary

CONCLUSIONS AND FUTURE WORK

7.1 Conclusions

7.2 Future work

REFERENCES

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理

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摘要

机械电子工程专业是一个跨电子、计算机与机械学科的综合性交叉学科。因此,在实际的教学实验中有必要设计一个综合性试验平台,便于学生加深对该专业内涵的理解。针对机械电子工程专业的跨学科的特点,本文提出了一种应用于其教学实验的平面并联机构,并对其进行了设计和分析。
  首先,对平面五杆并联机构的运动学和动力学进行了分析。由于五杆并联机构具有很多奇异位形,因此在运动学分析中需要着重考虑其奇异位形的影响。条件数的逆可以作为衡量末端执行器与奇异位形距离的参数。通过给出不同的构型下条件数的逆在工作空间的分布图,可以方便地定义优化的工作空间。优化的工作空间最大限度地削弱了各种奇异位形的影响,为以后的控制策略中的轨迹规划奠定了理论基础。同时通过求出内力项的零空间的解,得到本平面并联机构的动力学方程,解决了并联机构动力学方程求解复杂的困难。
  其次,对机构的硬件电路和软件设计进行了阐述。考虑本机构的结构拆装灵活的特点,硬件结构采用了三层主从式结构。控制器之间的通讯方式采用了RS232串口通讯和SPI两种形式。并针对电机控制,设计了电机驱动电路、保护电路及抗干扰电路等等。根据硬件结构的主从式结构的特点,控制结构采用全闭环控制。其中,主控制器作为位置环控制器,从控制器作为速度环控制器。
  最后,提出了三种基于平面五杆并联机构的动力学模型的控制算法PD控制、增广PD控制及计算力矩控制。利用MATLAB仿真了三种控制算法应用于本平面并联机构的控制效果。计算力矩控制的控制效果最佳,可以将末端执行器的位置误差控制在0.001mm之内。
  本文提出的平面五杆并联机构集成了机械电子学科的多种主要性能,可以作为机械电子学科的教学平台。基于本文的研究成果,在该教学平台上可以进行三种实验:控制策略设计实验,优化设计实验和拓展电路实验。通过上述实验可以加深学生对机械电子学科的内容的理解,培养学生动手能力及创新思考的能力。

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