三自由度并联机器人分析与设计

论文摘要

坦克火控系统的性能决定了现代主战坦克的作战能力。长期以来,各国主要把坦克作为一种进攻性武器,完善的火控系统可以使坦克具有很高的命中精度和快速反应能力,所以在研制主战坦克时,始终把火控系统放在首位。为了更好地开展主战坦克火控系统的研究工作,需要研制摇摆台以模拟主战坦克在各种路面上行进时的颠簸状态。摇摆台由三自由度并联机器人以及其他相关系统组成,因此有必要对三自由度并联机器人进行深入的研究。在坦克炮塔及火控系统试验台中,三自由度并联机器人用来模拟路况的侧倾、俯仰和升沉运动。因此本文从运动学、动力学和控制策略等几个方面对三自由度并联机器人进行研究。这些问题对于研制满足试验要求的坦克炮塔及火控系统试验台的工程实践有很重要的指导意义。三自由度并联机器人是一种多变量和本质非线性的复杂系统,其运动学及动力学分析是并联机器人的机构设计以及液压驱动系统设计的前提。本文首先采用坐标变换和求导的方法对三自由度并联机器人运动学进行了分析;然后不考虑折页、液压缸的质量和惯量,基于牛顿-欧拉法建立了系统的单刚体动力学模型;本文还在运动学分析和动力学分析的基础上设计了系统的动力机构,并给出了系统动力机构在基本工况下的负载匹配曲线;三自由度并联机器人另外一个重要的研究方向是三自由度并联机器人控制策略的研究,控制系统将直接决定系统最终达到的性能指标。本文首先推导了对称阀控制非对称缸的传递函数数学表达式;然后设计了简单的PID调节控制器,对控制系统的特性进行了初步分析。为了在建造实物样机之前验证分析的可行性,本文应用ADAMS建立了实物的虚拟样机模型,并将其与Matlab/simulink仿真软件联合对运动学、动力学和控制系统的可行性进行了联合仿真验证,该方法能较真实模拟实际的三自由度并联机器人,结果表明本文所做的运动学分析、动力学分析以及控制系统的分析是可行的。从而为研制用于实际试验的坦克炮塔及火控系统试验台提供了必要的设计依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及发展趋势
• 1.2.1 并联机器人的发展与应用
• 1.2.2 并联机器人国内外研究概况
• 1.2.3 三自由度并联机器人国内外研究状况
• 1.3 本论文的主要研究内容
• 第2章 三自由度并联机器人运动学分析
• 2.1 并联机器人机构介绍
• 2.2 并联机器人运动学分析
• 2.2.1 坐标系的建立
• 2.2.2 运动学反解
• 2.2.3 雅可比矩阵
• 2.3 并联机器人运动学联合仿真验证
• 2.3.1 并联机器人ADAMS运动学模型的建立
• 2.3.2 运动学联合仿真验证
• 2.4 并联机器人运动学仿真分析
• 2.4.1 侧倾运动时运动学仿真分析
• 2.4.2 俯仰运动时运动学仿真分析
• 2.4.3 升沉运动时运动学仿真分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 三自由度并联机器人动力学分析
• 3.1 系统动力学模型的建立
• 3.1.1 系统静力学分析
• 3.1.2 系统的牛顿方程
• 3.1.3 系统的欧拉方程
• 3.1.4 系统的动力学方程
• 3.2 并联机器人动力学联合仿真验证
• 3.2.1 并联机器人ADAMS动力学模型的建立
• 3.2.2 动力学联合仿真验证
• 3.3 系统动力机构设计
• 3.3.1 系统动力机构的设计条件
• 3.3.2 系统动力机构的具体设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 三自由度并联机器人的控制策略
• 4.1 液压驱动系统的建模
• 4.1.1 伺服阀的流量方程
• 4.1.2 液压缸连续性方程
• 4.1.3 液压缸和负载的力平衡方程
• 4.1.4 阀控液压缸的传递函数
• 4.2 并联机器人控制系统的联合仿真分析
• 4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢