6-DOF串并联机器人的动力学及控制研究

论文摘要

目前,对于6-DOF并联机器人的研究已成为热门领域。然而,绝大多数的6-DOF并联机器人的构型都来源于Stewart机构,鲜见其它构型的并联机器人或串并联机器人。本文所研究的是6-DOF串并联机器人,主要用于重型锻件生产自动化领域。此机构不仅具有输出精度高、机构刚性好、承载能力强等并联机构的特点,也具备工作空间大等优点。本论文主要针对6-DOF串并联机器人的运动学分析、动力学分析、基于动力学的控制系统设计、电液伺服驱动系统设计、电液位置伺服控制等5个内容进行研究。6-DOF串并联机器人的运动学分析兼具并联机器人和串联机器人的优点和难点,本文在求位置反解时采用了新的算法——逐次搜索法;利用一、二阶影响系数矩阵分析速度和加速度。在关节空间里对关节的运动轨迹进行规划,求得各个关节的运动轨迹。基于Kane动力学理论,求出15个杆件的偏速度和偏角速度,推导了动力学方程,并给出了动力学基本方程系数解析形式,利用Matlab软件进行计算机动态数值仿真。分析仿真曲线,评价动力学性能,并据此更新关节运动轨迹。基于动力学方程的控制方法很多,在控制精度、快速性和稳定性方面各有特点,控制成本和实现的难易程度也有所不同。本文采用了三种方法:计算力矩法、鲁棒控制及变结构滑模控制,对6-DOF串并联机器人进行了精确控制。通过Simulink仿真实例,比较三种方法的优劣和应用条件。推导电液伺服驱动系统的动力学模型,即分别求取电磁伺服阀、单级电液伺服阀、阀控液压缸动力机构、负载活塞受力模型的数学模型等,最终获得三阶开环传递函数的数学模型。采用PID校正和变结构鲁棒自适应控制对电液伺服驱动系统进行伺服控制,此系统具有良好的快速性和鲁棒性。前面各专题采取的技术路线为基于纯理论数学推导,以Matlab/Simulink数值仿真为辅助,最终得出描述性能曲线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 并联机器人的特点与研究现状
• 1.1.1 机构的运动学分析
• 1.1.2 机构的奇异性分析
• 1.1.3 机构的工作空间
• 1.1.4 机构的动力学分析
• 1.2 并联机器人的控制策略
• 1.2.1 PID 控制
• 1.2.2 自适应控制（AC）
• 1.2.3 鲁棒控制
• 1.2.4 变结构控制
• 1.3 课题来源及论文内容安排
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究目的及意义
• 1.3.3 论文的主要内容和结构安排
• 第二章 6-DOF 串并联机器人的运动学分析
• 2.1 引言
• 2.2 6-DOF 串并联机器人的位置反解
• 2.2.1 6-DOF 串并联机器人的几何模型
• 2.2.2 6-DOF 串并联机器人的数学模型
• 2.2.3 运动学方程的求解
• 2.3 6-DOF 串并联机器人速度、加速度分析
• 2.3.1 运动影响系数的理论及概念[90]
• 2.3.2 6-DOF 串并联机器人的影响系数矩阵
• 2.4 6-DOF 串并联机器人的轨迹规划
• 2.4.1 基本概念与理论
• 2.4.2 6-DOF 串并联机器人的轨迹规划
• 2.5 运动学分析数值仿真
• 2.6 本章小结
• 第三章 6-DOF 串并联机器人的动力学分析
• 3.1 引言
• 3.2 基于KANE 法的动力学方程
• 3.2.1 基本概念及原理
• 3.2.2 基于Kane 方程的动力学分析
• 3.2.3 动力学方程的封闭形式
• 3.2.4 动力学数值仿真
• 3.4 本章小结
• 第四章 电液伺服驱动系统
• 4.1 引言
• 4.1.1 电液伺服控制的基本原理
• 4.1.2 电液伺服系统的优点及研究现状
• 4.1.3 电液伺服控制系统的控制策略
• 4.2 电液伺服阀的工作原理及数学模型
• 4.2.1 动铁式永磁力矩马达的基本方程
• 4.2.2 动铁式永磁力矩马达的传递函数
• 4.3 单级电液伺服阀的传递函数
• 4.4 阀控液压缸动力机构的数学模型
• 4.4.1 零开口四通阀控液压缸的基本方程
• 4.4.2 四通阀控液压缸的方框图及传递函数
• 4.5 带负载活塞受力方框图及传递函数
• 4.6 电液伺服系统总的方框图
• 4.7 本章小结
• 第五章 6-DOF 串并联机器人控制策略
• 5.1 引言
• 5.2 机器人动力学模型及其机构特性
• 5.3 不确定机器人系统的运动控制
• 5.4 基于计算力矩法的控制
• 5.4.1 计算力矩法的基本原理
• 5.4.2 计算力矩法的数值仿真
• 5.5 6-DOF 串并联机器人的鲁棒控制
• 5.5.1 鲁棒控制的基本原理
• 5.5.2 李雅普诺夫稳定性分析
• 5.5.3 鲁棒控制的程序实现
• 5.5.4 鲁棒控制数值仿真
• 5.6 6-DOF 串并联机器人的变结构滑模控制
• 5.6.1 变结构滑模控制原理
• 5.6.2 6-DOF 串并联机器人的变结构滑模控制
• 5.6.3 变结构滑模控制数值仿真
• 5.7 本章小结
• 第六章 电液位置伺服控制
• 6.1 引言
• 6.2 电液位置控制系统
• 6.3 液压位置控制系统的特性分析
• 6.4 液压位置控制系统的PID 校正
• 6.5 液压位置控制系统的变结构自适应鲁棒控制
• 6.5.1 阀控液压伺服系统状态方程的简约形式
• 6.5.2 选取滑模面以及趋近律
• 6.5.3 变结构自适应鲁棒控制数值仿真
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 主要研究内容、成果及结论
• 7.2 有待完善和提高之处
• 7.3 最后一些期望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文
• 上海交通大学硕士学位论文答辩决议书