基于动力学模型的高速并联机械手控制方法研究

摘要

在国家自然科学基金“基于电机性能参数的高速并联机构集成优化设计”支持下，本文以三自由度的Delta并联机械手为例，从机械手刚体动力学建模、轨迹规划方法、和运动控制方法三个角度入手，系统地研究了在考虑机械手动力学模型的基础上提高机械手运行速度和抓放动作精度的控制方法。并进一步在实时控制系统实验样机上进行了验证。全文取得成果如下:
　　首先，在刚体动力学模型方面，基于虚功原理建立了完备的机械手刚体动力学模型，得到矩阵形式表达的动力学方程。针对动力学模型的简化方法进行了深入的研究，从机械手结构参数与运动轨迹参数两方面出发，分析了各因素对简化模型准确性的影响，以简化动力学模型与完备模型逼近程度作为优化指标，提出了一种新的基于组合质量分配系数的刚体动力学简化方法，为实时动力学控制方法的实现奠定了基础。
　　其次，在轨迹规划方面，为保证机器人高速作业的柔顺性，提出一种新的关节空间内轨迹规划方法。该方法首先通过运动学逆解模型将运动学参数映射至关节空间，随后基于五次非均匀有理B样条曲线构造关节轨迹，进行运动插补，与原有的操作空间内多项式轨迹规划方法进行对比，表明该方法有效地提升了机械手高速运行下的末端定位精度与平顺性。
　　随后，在运动控制方面，首先分析了电机驱动单支链模型，基于MATLAB建立PID控制模型，提出了基于遗传算法的自整定方法并对伺服参数进行了整定。随后基于简化的刚体动力学模型设计了一种动力学前馈控制器，通过在Simulink/SimMechanics中构建控制系统和机械手模型，对机械手单条支链进行动态仿真，表明了该控制方法与运动学闭环控制相比具有良好的动态响应特性，同时该方法可以有效地减少高速作业下机械手动态特性造成的轨迹跟踪误差，提高作业精度。
　　最后，在样机实验方面，采用纯软件实时控制系统TwinCAT搭建实验软件平台，完成了相关控制算法的设计与控制软件的编写。通过实验，一方面验证了上文简化刚体动力学模型和轨迹规划的有效性，另一方面验证了单支链力矩前馈可以显著的改善并联机械手在实际高速运动中的轨迹跟踪精度与动态特性。

目录

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摘要

图清单

表清单

字母注释表

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 国内外研究状况

1．2．1 动力学建模

1．2．2 轨迹规划

1．2．3 动力学控制方法

1．3 本文主要研究内容

第二章 简化刚体动力学建模

2．1 引言

2．2 运动学模型

2．2．1 运动学逆解模型

2．2．2 运动学正解模型

2．3 完备刚体动力学建模

2．4 简化刚体动力学建模

2．5 本章小结

第三章 轨迹规划

3．1 引言

3．2 运动路径描述

3．3 操作空间轨迹规划

3．4 关节空间轨迹规划

3．5 轨迹规划方法评价

3．6 本章小结

第四章 动力学控制方法

4．1 引言

4．2 控制系统建模

4．2．1 伺服系统模型

4．2．2 等效转子惯量计算

4．2．3 伺服PID参数整定

4．3 动力学控制系统设计

4．3．1 运动学闭环PID控制

4．3．2 单支链力矩前馈控制

4．4 控制系统仿真与分析

4．4 本章小结

第五章 实验

5．1 引言

5．2 实验对象描述

5．3 实验方案与结果分析

5．3．1 轨迹验证实验

5．3．2 动力学特性实验

5．4 本章小结

第六章 全文总结

6．1 结论

6．2 工作展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢