3-PRRU并联机器人运动仿真与控制系统设计

论文摘要

本文以3-PRRU三自由度并联机器人为研究对象,提出基于虚拟样机和虚拟仪器技术的并联机器人运动仿真和控制方案。在机构运动学分析的基础上,结合虚拟样机技术,对机构进行了机电一体化仿真研究;并设计和搭建了基于NI运动控制卡的开放式样机控制系统平台,最后通过样机实验,验证了理论分析的正确性与实验平台控制系统的和可行性。主要工作可概括为如下几个方面:运用螺旋理论,对3-PRRU并联机构进行了自由度分析;建立了机构的运动学模型,分析了其位置正、反解;并通过坐标变换,建立了工具末端与动平台中心点之间的表达式。在SolidWorks中建立了3-PRRU并联机器人虚拟样机,利用COSMOSMotion对机构进行了运动轨迹规划和仿真,验证了位置反解的正确性;通过将LabVIEW、SolidWorks和COSMOSMotion设计工具集成到一起,对3-PRRU并联机器人进行了机电一体化仿真,实现了对运动过程的参数化控制。程序代码的可移植性,也可直接配置到后续物理样机的控制系统开发中,缩短了后期的开发时间。设计了基于PC+NI运动控制卡的3-PRRU并联机器人控制系统,并结合所需功能,对运动控制卡与伺服驱动器之间的接口进行了详细设计和配置,为开放式的控制系统软件设计奠定基础。利用LabVIEW图形化语言及相关的NI运动控制应用程序,开发了基于层结构的开放式3-PRRU并联机器人运动控制软件平台,核心功能包括:回零,单轴调整,自动运行,实现了系统良好的人机交互和信息共享。通过对样机实验平台进行调试及实验,验证了控制系统各个核心功能的可行性,实验中运行平稳,可控性好,噪音和振动较小,基本达到了预期设计目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景与研究意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 并联机器人研究现状
• 1.2.2 基于虚拟样机的仿真技术研究现状
• 1.2.3 运动控制研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第二章 运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 3-PRRU 并联机构描述
• 2.3 3-PRRU 机构自由度
• 2.3.1 自由度计算
• 2.3.2 自由度的确定
• 2.4 3-PRRU 机构位置分析
• 2.4.1 机构的数学模型
• 2.4.2 3-PRRU 机构的位置正解分析
• 2.4.3 3-PRRU 机构的位置反解分析
• 2.5 动平台工具末端运动分析
• 2.6 小结
• 第三章 运动仿真
• 3.1 引言
• 3.2 SolidWorks 简介
• 3.3 虚拟样机建模与仿真
• 3.3.1 建模与装配
• 3.3.2 仿真分析
• 3.4 机电一体化仿真
• 3.4.1 虚拟原型技术
• 3.4.2 仿真过程
• 3.5 小结
• 第四章 控制系统硬件设计
• 4.1 引言
• 4.2 功能规划
• 4.3 伺服系统控制方案
• 4.4 控制系统硬件组成
• 4.4.1 工控机
• 4.4.2 运动控制器
• 4.4.3 伺服驱动系统
• 4.5 接口设计
• 4.6 小结
• 第五章 控制系统软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 LabVIEW 简介
• 5.2.1 LabVIEW 编程环境
• 5.2.2 LabVIEW 编程工具
• 5.3 软件功能规划
• 5.4 软件结构
• 5.5 核心功能开发
• 5.5.1 回零功能
• 5.5.2 单轴调整功能
• 5.5.3 自动运行功能
• 5.5.4 用户界面
• 5.6 小结
• 第六章 样机实验
• 6.1 引言
• 6.2 样机功能实验
• 6.2.1 系统准备
• 6.2.2 功能验证
• 6.3 小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间的研究成果