高速并联机械手臂最优控制策略研究

论文摘要

本文针对两自由度并联机械手关节之间耦合力以及高速运行时动力学模型不准确和在往复式运行过程中产生跃度过大引起的抖动问题,对本课题中机械手臂分别设计了自抗扰非线性控制器和基于滑模自适应力矩前馈补偿的非线性控制器,在此基础上建立了整个机器人系统加入柔性关节的机电耦合系统参数化模型,并对所设计的控制算法和所规划出的轨迹进行了仿真验证。对并联机器人在操作空间中的运行轨迹做了基于遗传算法求优的三次样条插值,最后规划出了机器人操作空间轨迹,完成了实验系统的搭建、控制系统软件编程以及实验验证。第一,论文针对机械手实际控制过程中一般的比例-微分（PD）控制策略所引起的机器人关键位置跟踪精度不高、超调过大的缺点,设计了自抗扰控制算法,解决了超调和关节位置精度跟踪问题。第二,根据机器人在往复式的搬运和分拣操纵过程中的高速性要求,结合了系统动力学方程的不确定性,设计出滑模自适应控制算法,解决了机械手臂高速运行下的精度跟踪问题。并且针对电机电流噪声过大的缺点,设计了自适应kalman滤波算法,并且针对电机的动力学模型建立了自适应Kalman算法辨识出机械手臂广义力。第三,结合SimMechanics工具箱,建立了整个机器人系统的机电耦合系统的参数化的刚体动力学模型,对所设计的控制算法进行了分析和验证。第四,由于整个机器人系统在高速运行时,机械部分抖动大,而且电机输出的速度和加速度以及力矩和功率的特性,建立了轨迹规划的目标函数,并且加入了动力学和运动学作为其约束条件,采用了遗传算法对其进行优化计算,最终采用三次样条曲线规划出机器人关节空间的轨迹,并在所建立的机电耦合系统的参数化模型上进行了试验。第五,完成了控制系统平台搭建,该平台采用德州仪器公司（TI）的DSPTMS320F28335完成控制算法的计算和位置环的调节,由驱动器完成速度环和电流环的运算。该论文有图54幅,表2个,参考文献65篇。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 并联机器人的发展及研究概况
• 1.2 并联机器人的目前应用现状
• 1.3 并联机器人的控制技术研究及其发展概况
• 1.4 工业机器人的优化的轨迹规划研究概况
• 1.5 本文的主要研究内容
• 2 高速并联机械手臂的控制策略研究
• 2.1 引言
• 2.2 高速并联机械手的ADRC 控制器的设计
• 2.3 基于传统PD 的力矩控制前馈的滑模自适应控制算法
• 2.4 基于Kalman 算法的电流滤波和负载力矩的辨识
• 2.5 本章小结
• 3 高速并联机械手臂的最优的轨迹规划研究
• 3.1 引言
• 3.2 基于三次样条插值目标函数的确定
• 3.3 目标函数的优化算法
• 3.4 实验结果及其分析
• 3.5 本章小结
• 4 并联机器人的系统模型建立及其算法仿真
• 4.1 并联机器人系统的参数化模型的建立
• 4.2 PD 滑模自适应控制算法的仿真
• 4.3 本章小结
• 5 并联机器人控制部分的实现方案
• 5.1 电路以及系统结构
• 5.2 机器人的关节位置检测
• 5.3 驱动器
• 5.4 DSP 系统资源分配
• 5.5 控制系统算法及程序
• 5.6 控制系统主程序
• 5.7 控制系统初始化程序
• 5.8 中断服务子程序
• 5.9 电流采样子程序
• 5.10 DSP 与解码电路数据控制通讯子程序
• 5.11 机械手关节速度计算子程序
• 5.12 机械手关节给定信号计算子程序
• 5.13 力矩误差PID 调节子程序
• 5.14 位置环PD 调节子程序
• 5.15 本章小结
• 6 实验结果及其分析
• 6.1 实验平台
• 6.2 实验结果
• 6.3 实验结果的分析
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 作者简历
• 学位论文数据集
• 详细摘要