基于動(dòng)力學(xué)模型的高速并聯(lián)機(jī)械手控制方法研究.pdf

1、在國(guó)家自然科學(xué)基金“基于電機(jī)性能參數(shù)的高速并聯(lián)機(jī)構(gòu)集成優(yōu)化設(shè)計(jì)”支持下，本文以三自由度的Delta并聯(lián)機(jī)械手為例，從機(jī)械手剛體動(dòng)力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃方法、和運(yùn)動(dòng)控制方法三個(gè)角度入手，系統(tǒng)地研究了在考慮機(jī)械手動(dòng)力學(xué)模型的基礎(chǔ)上提高機(jī)械手運(yùn)行速度和抓放動(dòng)作精度的控制方法。并進(jìn)一步在實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)上進(jìn)行了驗(yàn)證。全文取得成果如下:
　　首先，在剛體動(dòng)力學(xué)模型方面，基于虛功原理建立了完備的機(jī)械手剛體動(dòng)力學(xué)模型，得到矩陣形式表達(dá)的動(dòng)力學(xué)方

2、程。針對(duì)動(dòng)力學(xué)模型的簡(jiǎn)化方法進(jìn)行了深入的研究，從機(jī)械手結(jié)構(gòu)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)兩方面出發(fā)，分析了各因素對(duì)簡(jiǎn)化模型準(zhǔn)確性的影響，以簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型與完備模型逼近程度作為優(yōu)化指標(biāo)，提出了一種新的基于組合質(zhì)量分配系數(shù)的剛體動(dòng)力學(xué)簡(jiǎn)化方法，為實(shí)時(shí)動(dòng)力學(xué)控制方法的實(shí)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，在軌跡規(guī)劃方面，為保證機(jī)器人高速作業(yè)的柔順性，提出一種新的關(guān)節(jié)空間內(nèi)軌跡規(guī)劃方法。該方法首先通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解模型將運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)映射至關(guān)節(jié)空間，隨后基于五次非均勻

3、有理B樣條曲線構(gòu)造關(guān)節(jié)軌跡，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)插補(bǔ)，與原有的操作空間內(nèi)多項(xiàng)式軌跡規(guī)劃方法進(jìn)行對(duì)比，表明該方法有效地提升了機(jī)械手高速運(yùn)行下的末端定位精度與平順性。
　　隨后，在運(yùn)動(dòng)控制方面，首先分析了電機(jī)驅(qū)動(dòng)單支鏈模型，基于MATLAB建立PID控制模型，提出了基于遺傳算法的自整定方法并對(duì)伺服參數(shù)進(jìn)行了整定。隨后基于簡(jiǎn)化的剛體動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)了一種動(dòng)力學(xué)前饋控制器，通過(guò)在Simulink/SimMechanics中構(gòu)建控制系統(tǒng)和機(jī)械手模型，對(duì)機(jī)

4、械手單條支鏈進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，表明了該控制方法與運(yùn)動(dòng)學(xué)閉環(huán)控制相比具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)該方法可以有效地減少高速作業(yè)下機(jī)械手動(dòng)態(tài)特性造成的軌跡跟蹤誤差，提高作業(yè)精度。
　　最后，在樣機(jī)實(shí)驗(yàn)方面，采用純軟件實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)TwinCAT搭建實(shí)驗(yàn)軟件平臺(tái)，完成了相關(guān)控制算法的設(shè)計(jì)與控制軟件的編寫。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，一方面驗(yàn)證了上文簡(jiǎn)化剛體動(dòng)力學(xué)模型和軌跡規(guī)劃的有效性，另一方面驗(yàn)證了單支鏈力矩前饋可以顯著的改善并聯(lián)機(jī)械手在實(shí)際高速運(yùn)動(dòng)中的軌跡跟蹤