自由度门式起重机器人的动力学与末端轨迹控制研究

发布时间：2017-04-25 03:02

  本文关键词：自由度门式起重机器人的动力学与末端轨迹控制研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为了提高吊运效率，带有防摇功能的作为各种绳导引物料提升系统的起重机器人在操作者的监督下自行实现物料的搬运，这种半自动化的操作方式值得采纳。前人的大多数研究尚未能合适地解决起重机器人刚柔耦合时变多体动力学及其末端轨迹跟踪控制所涉及的理论和技术问题，故无法实现末端执行器以良好的动态特性准确跟踪期望轨迹。而2自由度门式起重机器人由于其机构系统在不考虑绳索分布质量的前提下具有微分平坦性这一性质，有望简化以上的问题。 为了验证不考虑绳索分布质量的2自由度门式起重机器人机构系统的动力学建模与基于微分平坦性的轨迹跟踪反馈控制是否符合真实机构系统的情况，论文采用理论分析与实验研究相结合的方法展开2自由度门式起重机器人机构系统的动力学与末端轨迹控制研究，取得了一些有意义的结果和结论，如下： 首次利用ADAMS软件对该机器人机构系统进行了刚柔耦合多体动力学建模与动力学正解分析，发现绳索分布质量对该机器人末端轨迹控制精度所产生的影响不能忽略，而这将给末端轨迹的实时控制带来困难。 为了解决上述问题，论文进一步研究了“采用基于微分平坦性的末端轨迹反馈跟踪控制理论与技术（在不考虑绳索分布质量的前提下）”这一解决方案的可行性，具体为： 1．在搭建实验样机的基础上，对其末端轨迹进行基于转矩/位置/速度三种不同控制模式的开环控制实验研究，发现实验轨迹与拟定的期望轨迹有较大区别，与比较接近实际情况的ADAMS软件仿真分析得到的轨迹较接近但有偏差，于是指出了采用一种具有反馈环节的末端轨迹闭环控制策略的必要性。 2．利用基于微分平坦性的末端轨迹跟踪控制策略，采用基于转矩/位置/速度三种不同的控制模式，对末端轨迹进行了闭环控制实验研究，发现：闭环控制实验轨迹较之开环控制实验的轨迹在精度上有较大改善，且基于位置/速度闭环控制模式所得到的实验轨迹与拟定的期望轨迹更加接近。从而从理论分析和实验研究两个方面同时验证了所提出的解决方案的可行性，若结合使用起重机的变频技术，该2自由度门式起重机器人有望在工业实践上得到使用，即便是大负载的吊运任务。 不过仍然需要采用一些手段来减少末端轨迹跟踪误差，如通过优化控制程序更好地抑制绳索的质量和柔性对轨迹控制的精度所造成的影响；采用高精密的机器人机械结构（采用小摩擦的关节结构）；尽量提高吊绳倾角检测系统的检测精度；以及通过采用高性能的实时运动控制系统来消除无法用控制策略加以补偿的各种因素等。
【关键词】：2自由度 门式起重机器人 刚柔耦合多体动力学 轨迹控制精度 吊绳倾角反馈
【学位授予单位】：华侨大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：TH213.5;TP242
【目录】：

• 摘要2-4
• Abstract4-6
• 目录6-8
• 第1章 绪论8-16
• 1.1 课题的研究背景8-9
• 1.2 国内外研究现状9-13
• 1.3 论文研究的目的意义及内容13-16
• 1.3.1 论文研究的目的意义13-14
• 1.3.2 研究内容14-16
• 第2章 考虑绳索分布质量的机构系统动力学研究16-38
• 2.1 机构系统分析与参数确定16-17
• 2.2 基于 ADAMS 软件的考虑绳索分布质量机构系统动力学建模17-26
• 2.2.1 多体系统动力学基本理论17-20
• 2.2.2 建模基本思路20-26
• 2.3 机构系统动力学正解仿真分析26-29
• 2.4 基于数学模型的不考虑绳索分布质量机构系统动力学建模29-33
• 2.4.1 机构系统动力学建模29-31
• 2.4.2 机构系统微分平坦性31-33
• 2.5 两种动力学分析方法的比较33-36
• 2.6 本章小结36-38
• 第3章 基于转矩开环控制模式的末端轨迹控制实验研究38-54
• 3.1 实验样机搭建38-43
• 3.1.1 实验样机主要构件39-42
• 3.1.2 机构系统接线说明42-43
• 3.2 基于转矩开环控制模式实验研究43-50
• 3.2.1 硬件参数配置与调试44-47
• 3.2.2 转矩开环控制实验47-50
• 3.3 实验参数与结果分析50-52
• 3.3.1 实验参数设定50
• 3.3.2 实验结果与分析50-52
• 3.4 本章小结52-54
• 第4章 基于转矩闭环控制模式的末端轨迹控制实验研究54-66
• 4.1 基于微分平坦性的轨迹跟踪控制策略研究54-57
• 4.2 吊绳倾角检测系统57-60
• 4.2.1 检测系统原理57-58
• 4.2.2 检测系统设计制造58-59
• 4.2.3 检测系统试运行59-60
• 4.3 基于转矩闭环控制模式实验研究60-64
• 4.3.1 实验原理60-63
• 4.3.2 实验结果比较分析63-64
• 4.4 本章小结64-66
• 第5章 基于位置/速度控制模式的末端轨迹控制实验研究66-78
• 5.1 运动控制模式选择66-68
• 5.2 基于位置/速度开环控制模式实验研究68-74
• 5.2.1 位置控制模式参数设定68-70
• 5.2.2 速度控制模式参数设定70-72
• 5.2.3 基于三种开环控制模式的实验轨迹比较72-74
• 5.3 基于位置/速度闭环控制模式实验研究74-77
• 5.3.1 位置/速度闭环控制实验的原理介绍74-75
• 5.3.2 基于三种闭环控制模式的实验轨迹比较75-77
• 5.4 本章小结77-78
• 第6章 总结和展望78-80
• 6.1 论文总结78-79
• 6.2 展望79-80
• 参考文献80-86
• 致谢86-88
• 个人简历、在学期间发表论文与研究成果88

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本文编号：325470