一种三平移并联机器人及其多轴控制研究

摘要

信息时代的高新技术流向传统农业，引起传统农业的深刻变革。微电子技术、微计算机技术使信息和智能与机械装置和动力相结合，促使农业开始了一场大规模的机电一体化的技术革命。机电一体化技术已经越来越受到各方面的关注，在机电一体化技术迅速发展的同时，运动控制技术作为其核心部分，也得到了前所未有的发展。 本文主要通过对已经加工的秧苗移栽机器人进行控制实验，在实验过程中发现，该移栽机器人具有机构杆长较长，杆件刚度不够，运动副之间接触面积较小，引起副的变形过大，原动件减速器传动比过大，造成机构工作效率较低等缺点。因此，对于机构的改进分析中，本文主要做了如下工作： (1)本文对3-CRR并联机构的各分支进行重新配置，提出了一种新型的三自由度并联机构。 (2)提出了一种可约系统的概念，并通过计算论证了该机构是一种完全可约的机构，其输入与输出之间具有着一一映射的关系。 (3)对该机构进行了奇异位形分析，速度性能指标分析及灵巧度分析，由分析可知，机构具有非常好的运动传递性能，运动学各项同性性能非常好，灵巧度和控制精度可以达到最优值。 (4)在考虑工作空间和机构整体刚度的基础上对机构进行了杆长优化设计，并利用机构在结构、运动、干涉等方面的相互关系，建立起机构的各个构件的参数同驱动参数的关系。 (5)通过MATLAB仿真，得到了该并联机构工作空间示意图。 本文对改进后加工完毕的秧苗移栽机构进行了控制研究，主要做了以下工作： (1)选用阶梯式控制系统的设计思路，即用基于Windows操作系统的台式机作为上位机，完成数据的存储与复杂计算，用以DSP为核心的多轴伺服控制卡实现多轴联动的实时控制。 (2)根据系统实际工作中所需要的驱动力，对步进电机进行了合理的选择，并在实际的控制中，证明了该步进电机能够保证系统的顺利工作。 (3)在步进电机驱动系统中，由于多重非线性因素的影响，使得系统的控制精度较低，为了解决该问题，本文引入了带微调前馈补偿功能的模糊PID控制器，并在实验过程中发现，使用该控制器能够有效的减小控制误差，进一步提高系统的控制精度。 (4)本文甩VC++语言设计了机器人系统的计算机控制软件，并在程序中添加了系统故障诊断模块，以保证当控制系统出现一些较小的问题时能通过程序快速解决该问题。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1农业机械的国内外研究概况

1.2并联机器人研究现状

1.3数控系统的发展现状

1.3.1数控系统体系结构的两大主要类型

1.3.2 PC数控系统体系结构分析

1.4课题的目的和意义

1.5本文工作

第二章三自由度并联机器人的性能机构分析及优化

2.1三自由度移栽机器人

2.1.1三平移并联移栽机器人的机构描述

2.1.2螺旋理论基础

2.1.3螺旋理论分析

2.2三平移并联移栽机器人机构的性能分析

2.2.1机构可约性分析

2.2.2奇异性位置分析

2.2.3速度性能指标分析

2.2.4灵巧度分析

2.3机构杆长的优化设计

2.4三自由度并联机构的刚度分析

2.5三自由度并联机器人的刚度优化设计

2.6工作空间分析

2.7本章小结

第三章 三自由度并联机器人的硬件设计

3.1阶梯式控制系统的设计思路

3.2基于PC机+DSP伺服控制卡的闭环控制方法

3.3闭环系统中各组成环节的介绍

3.3.1 GE300-SG-PCI伺服控制卡

3.3.2步进电机系统的组成

3.4步进电机的起动、换向及变频加速度控制的设计

3.5本章小结

第四章Fuzzy-PID控制器的设计

4.1引言

4.2并联机器人的控制算法研究

4.3提高步进驱动系统精度与可靠性的途径

4.4模糊控制算法

4.5模糊控制的基本原理

4.6自适应Fuzzy-PID控制系统的设计

4.7本章小结

第五章三自由度并联机器人的软件设计及实验分析

5.1引言

5.2系统初始化模块及回原点模块设计

5.2.1系统初始化模块设计

5.2.2回零程序设计

5.3秧苗根茎坐标的确定与读取

5.4自动加工模块的设计

5.4.1模糊PID控制子程序

5.4.2机械手系统的组成及控制

5.5手动模块设计

5.6系统故障诊断模块

5.7实验分析及控制算法改进

5.7.1前馈补偿控制理论

5.7.2系统性能分析

5.7.3滚珠丝杠的补偿系统设计

5.8本章小结

第六章全文总结

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的学术论文