一种三自由度索并联机构的分析与控制系统研究

发布时间：2017-06-16 23:12

  本文关键词：一种三自由度索并联机构的分析与控制系统研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：索并联机构具有结构简单、工作空间大、运动速度快、负载大等优点,在工程应用中受到越来越多的重视,具有很高的研究和开发价值。高空摄像机器人是目前最先进的摄像设备,能够拍摄出更加立体、视角独特、更具临场感的视频效果。本文结合高空摄像机器人的开发需求,以一种三自由度索并联机构为研究对象,重点研究了机构的悬链线模型、索力优化、工作空间、静刚度及控制策略,并对控制系统的软硬件进行了设计和开发。主要研究内容如下:以三自由度索并联机构为研究对象,考虑柔索的自身重力,建立了单索悬链线模型,对单索虚牵问题进行了深入研究,给出了虚牵的判别方法。建立了机构的整体数学模型,针对索力求解不唯一问题,通过考虑柔索限制悬垂的方法对柔索的索力进行了优化求解,仿真验证采用考虑限制悬垂对索力进行优化有效可行,进而有效求出随动平台位姿变化绳索的索长变化值。对机构的工作空间进行了分析,给出了具有拉力条件的可控工作空间,并针对结构因素对工作空间的影响进行了分析,为索并联机构的尺寸设计提供依据。分析了机构的静刚度分布,给出了工作空间内的静刚度分布情况,通过仿真验证机构能够满足使用要求。针对三自由度索并联机构的控制,本文从两个方面进行了研究,首先建立起了单支链被控对象模型,针对现有控制系统的不足,对位置环控制器进行改进,仿真验证提高了系统的响应性能。针对索并联机构的冗余、非线性、滞后性、易受外界干扰等特点,提出了采用模糊控制与PID控制相结合的控制策略,对PID参数进行实时在线整定,有效的提高了系统的控制性能。最后,根据控制要求,对控制系统硬件进行整体设计,详细说明了硬件组成和电气方案设计,搭建了三自由度索并联机构的硬件平台。对控制软件进行了详细的功能模块规划,基于TwinCAT开发环境,编写控制程序,重点对运动控制实现模块和人机交互模块进行了详细分析,完成了对控制系统软件的开发,具有很强的工程实用价值。
【关键词】：三自由度索并联机构 索力优化 运动控制 控制系统设计
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP242;TH112
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景及意义10-11
• 1.2 索并联机构发展现状11-13
• 1.2.1 并联机构11-12
• 1.2.2 索并联机构12-13
• 1.3 索并联机构理论研究现状13-18
• 1.3.1 索并联机构研究现状13-15
• 1.3.2 索并联机构控制系统研究现状15-18
• 1.4 本论文的主要研究内容18-20
• 第二章 三自由度索并联机构建模分析20-31
• 2.1 单索悬链线建模与虚牵分析20-24
• 2.1.1 单索悬链线建模20-22
• 2.1.2 虚牵分析22-24
• 2.2 三自由度索并联机构建模24-26
• 2.3 柔索张力的优化设计26-30
• 2.3.1 考虑悬垂的柔索张力的优化解26-28
• 2.3.2 仿真分析28-30
• 2.4 本章小结30-31
• 第三章 工作空间与静刚度分析31-42
• 3.1 工作空间分类及分析方法31-32
• 3.2 具有拉力条件的可控工作空间分析32-34
• 3.3 结构因素对工作空间的影响34-37
• 3.3.1 工作空间的影响因素34-35
• 3.3.2 支撑杆的布置对工作空间的影响35-37
• 3.4 工作空间内的静刚度分布分析37-40
• 3.4.1 静刚度分析37-38
• 3.4.2 工作空间内的静刚度分布38-40
• 3.5 本章小结40-42
• 第四章 控制策略研究42-56
• 4.1 运动学控制策略研究42-47
• 4.2 控制器改进设计47-49
• 4.3 模糊控制器设计49-55
• 4.3.1 模糊控制49-51
• 4.3.2 自适应模糊PID控制51-53
• 4.3.3 仿真分析53-55
• 4.4 本章小结55-56
• 第五章 控制系统软硬件设计56-69
• 5.1 三自由度索并联机构概述56-57
• 5.2 三自由度索并联机构控制硬件设计57-61
• 5.2.1 控制器选择58-59
• 5.2.2 伺服驱动器及伺服电机59
• 5.2.3 总线端子模块59-60
• 5.2.4 电气方案60-61
• 5.3 三自由度索并联机构软件设计61-68
• 5.3.1 系统软件平台TwinCAT61-62
• 5.3.2 控制系统软件总体方案62-64
• 5.3.3 运动控制模块设计64-67
• 5.3.4 人机交互界面67-68
• 5.4 本章小结68-69
• 第六章 结论69-71
• 6.1 本文的主要贡献69
• 6.2 下一步工作的展望69-71
• 致谢71-72
• 参考文献72-76
• 攻读硕士学位期间取得的成果76-77

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前1条

1 杜敬利;段学超;保宏;;考虑柔索垂度影响的索支撑系统静刚度[J];机械工程学报;2010年17期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 姚蕊;大跨度索并联机构力特性及尺度综合设计研究[D];清华大学;2010年

2 郑亚青;绳牵引并联机构若干关键理论问题及其在风洞支撑系统中的应用研究[D];华侨大学;2004年

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本文编号：456726