并联机器人基于积分切换面的自适应滑模控制

摘要

并联机器人是一类全新的机器人,它具有刚度大、承载能力强、位置误差不积累、精度高、动力性能好等一系列潜在优点,已成为广大学者关注的焦点。少自由度并联机器人因其驱动元件少、造价低、结构简单紧凑、实用价值高而具有更好的发展前景。因此,本文对平面2-DOF并联机器人进行了研究。
　　 并联机器人是一个高度非线性的系统,运动过程中常存在很大的干扰因素,常规控制策略很难满足其控制要求。滑模变结构控制能够有效解决系统非线性问题,对参数不确定性和外部扰动具有强鲁棒性,适用于机器人的控制。本文针对平面2-DOF并联机器人,设计了一种新型的带有积分的滑动模面,采用一种自适应滑模控制方法,控制器的设计无需不确定性及外加干扰的上下界,通过自适应律实现对并联机构不确定量的辨识,旨在减小系统稳态误差,克服对干扰和未知参数摄动的影响,使系统具有较好的稳定性。
　　 本文首先基于运动学分析进行了并联机器人的位置正、反解计算,轨迹规划和工作空间分析,建立了控制系统支路模型,然后采用基于积分切换函数的自适应滑模控制算法对其各支路进行了仿真。与常规滑模控制仿真结果进行比较分析后表明:基于积分切换函数的自适应滑模控制跟踪效果好,抗干扰能力强,控制效果较好。本文最后运用VC++,结合多线程编程思想和动态链接库技术设计了并联机器人的控制系统软件,实现了机器人的实际控制。其中,用户界面线程为主线程,用来接收用户输入,算法计算和控制量的传递作为工作者线程,把得到的控制量传递给控制卡,使并联机器人能在工作空间内完成给定的轨迹运动。实验结果表明了所设计方法的正确性和有效性。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 并联机器人的发展、特点及其应用

1.3 并联机器人研究现状

1.3.1 机构学与运动学

1.3.2 动力学与控制策略分析

1.3.3 少自由度并联机器人研究现状

1.3.4 冗余并联机器人

1.4 本文主要的研究工作

1.4.1 本课题主要研究对象

1.4.2 本文研究内容、目的和意义

1.5 本章小结

第二章 2-DOF并联机器人机构分析

2.1 引言

2.2 并联机构自由度计算

2.3 2-DOF冗余并联机器人运动学

2.3.1 并联机器人结构参数

2.3.2 并联机器人位置正解

2.3.3 并联机器人位置反解

2.3.4 并联机器人工作空间

2.4 并联机器人轨迹规划

2.4.1 轨迹规划基本概念和一般性问题

2.4.2 轨迹的牛成方式和涉及的主要问题

2.4.3 机器人轨迹插值计算

2.5 本章小结

第三章 并联机器人控制系统

3.1 引言

3.2 并联机器人控制系统硬件结构

3.2.1 并联机器人系统构成

3.2.2 交流伺服电机及传感器

3.2.3 运动控制卡

3.3 并联机器人工作原理

3.4 交流伺服电机建模

3.5 本章小结

第四章 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理论

4.2.1 滑动模态定义及数学表达式

4.2.2 滑动模态的存在和到达条件

4.2.3 等效控制及滑动模态方程

4.2.4 滑模变结构控制匹配条件及不变性

4.2.5 滑模变结构控制的抖振问题

4.2.6 滑模控制器设计基本方法

4.3 基于积分切换函数的自适应滑模变结构控制器设计

4.3.1 积分型切换函数的设计

4.3.2 滑模控制器的设计

4.3.3 自适应滑模控制器的设计

4.4 位置跟踪仿真实验

4.4.1 各支路跟踪结果分析

4.4.2 控制算法抗干扰性分析

4.5 本章小结

第五章 2-DOF并联机器人系统软件设计实验

5.1 引言

5.2 设计要求及流程

5.3 多线程介绍

5.3.1 多线程概述

5.3.2 线程的创建

5.3.3 同步多线程

5.4 动态链接库介绍

5.5 2-DOF并联机器人系统控制实验

5.6 本章小结

第六章 全文总结

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文与成果

致谢