基于動力學(xué)模型的高速并聯(lián)機械手控制方法研究.pdf

1、在國家自然科學(xué)基金“基于電機性能參數(shù)的高速并聯(lián)機構(gòu)集成優(yōu)化設(shè)計”支持下，本文以三自由度的Delta并聯(lián)機械手為例，從機械手剛體動力學(xué)建模、軌跡規(guī)劃方法、和運動控制方法三個角度入手，系統(tǒng)地研究了在考慮機械手動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上提高機械手運行速度和抓放動作精度的控制方法。并進一步在實時控制系統(tǒng)實驗樣機上進行了驗證。全文取得成果如下:
　　首先，在剛體動力學(xué)模型方面，基于虛功原理建立了完備的機械手剛體動力學(xué)模型，得到矩陣形式表達的動力學(xué)方

2、程。針對動力學(xué)模型的簡化方法進行了深入的研究，從機械手結(jié)構(gòu)參數(shù)與運動軌跡參數(shù)兩方面出發(fā)，分析了各因素對簡化模型準(zhǔn)確性的影響，以簡化動力學(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)的剛體動力學(xué)簡化方法，為實時動力學(xué)控制方法的實現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。
　　其次，在軌跡規(guī)劃方面，為保證機器人高速作業(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。該方法首先通過運動學(xué)逆解模型將運動學(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，進行運動插補，與原有的操作空間內(nèi)多項式軌跡規(guī)劃方法進行對比，表明該方法有效地提升了機械手高速運行下的末端定位精度與平順性。
　　隨后，在運動控制方面，首先分析了電機驅(qū)動單支鏈模型，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伺服參數(shù)進行了整定。隨后基于簡化的剛體動力學(xué)模型設(shè)計了一種動力學(xué)前饋控制器，通過在Simulink/SimMechanics中構(gòu)建控制系統(tǒng)和機械手模型，對機

4、械手單條支鏈進行動態(tài)仿真，表明了該控制方法與運動學(xué)閉環(huán)控制相比具有良好的動態(tài)響應(yīng)特性，同時該方法可以有效地減少高速作業(yè)下機械手動態(tài)特性造成的軌跡跟蹤誤差，提高作業(yè)精度。
　　最后，在樣機實驗方面，采用純軟件實時控制系統(tǒng)TwinCAT搭建實驗軟件平臺，完成了相關(guān)控制算法的設(shè)計與控制軟件的編寫。通過實驗，一方面驗證了上文簡化剛體動力學(xué)模型和軌跡規(guī)劃的有效性，另一方面驗證了單支鏈力矩前饋可以顯著的改善并聯(lián)機械手在實際高速運動中的軌跡跟蹤