绳索牵引并联机器人的点到点轨迹规划与动力学控制

发布时间：2017-03-25 22:14

  本文关键词：绳索牵引并联机器人的点到点轨迹规划与动力学控制，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：为了克服传统并联机器人工作空间小和机械结构复杂的缺陷,利用绳索代替连杆设计一种结构相对简单的新型绳索牵引并联机器人,这种绳索牵引并联机器人具有质量小、成本低、工作空间大等优点,但是将绳索用于并联机器人,给并联机器人的研究带来了新的挑战。由于绳索具有单向力特性,只能产生拉力,不能产生压力,对绳索牵引并联机器人的分析变得更加复杂。所以本文针对绳索牵引并联机器人的动态轨迹规划、刚度性能和动力学控制进行了研究,具体研究内容如下：(1)由于运动中需要保持绳索拉力大于零,传统的机器人轨迹规划方法不可以直接应用于绳索牵引并联机器人。为此,本文根据2根绳索牵引的2自由度并联机器人的动力学模型,推导绳索拉力的单向力约束条件,并提出一种新的动态点到点轨迹规划方法——S型-梯形组合规划方法,采用动态的轨迹规划方法将静态工作空间扩展为了动态工作空间,从而增大了机器入的运动范围。此外,在2-2绳索牵引并联机器人平台上进行了Matlab仿真实验,验证了S型-梯形组合规划方法的可行性。(2)由于绳索牵引并联机器人的刚度偏小,分析绳索机构的刚度具有重要意义。较好的轨迹规划方法可以提高并联机器人的刚度性能,因此,本文研究了6根绳索牵引的6自由度并联机器人的刚度性能,根据机器人的动力学模型计算了刚度矩阵,并分别以S型速度曲线、三角函数、五次多项式的方法规划了点到点的直线运动轨迹和正弦运动轨迹,分析了三种轨迹规划方法的加速度特性对绳索牵引并联机器人刚度性能的影响。(3)本文针对8根绳索牵引的6自由度并联机器人建立了工作空间和关节空间的动力学模型,计算了绳索内力,并设计了PD控制律。最后在实验平台上进行了动力学控制实验,并给出了两组实验结果,有效地验证了绳索牵引并联机器人的动力学控制方法。此外,本文设计并给出了8-6绳索牵引并联机器人的动力学控制软件。
【关键词】：绳索牵引并联机器人 动态轨迹规划 S型-梯形组合规划方法 刚度 动力学控制
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-18
• 1.1 课题研究背景及意义10-12
• 1.2 国内外研究现状12-16
• 1.2.1 绳索牵引并联机器人的动态轨迹规划12-13
• 1.2.2 绳索牵引并联机器人的刚度分析13-15
• 1.2.3 绳索牵引并联机器人的动力学控制15-16
• 1.3 论文的研究内容16
• 1.4 论文的结构安排16-18
• 第2章 2自由度绳索牵引并联机器人的动态点到点轨迹规划18-32
• 2.1 2自由度绳索牵引并联机器人的动力学及类钟摆频率分析18-21
• 2.1.1 动力学分析18-20
• 2.1.2 类钟摆运动的自然频率20-21
• 2.2 动态S型-梯形组合速度规划方法21-26
• 2.2.1 水平方向的速度规划21-23
• 2.2.2 竖直方向的速度规划23-24
• 2.2.3 起始段和终止段的速度规划24-26
• 2.3 轨迹规划的仿真实验26-31
• 2.3.1 仿真结果27-29
• 2.3.2 与多项式轨迹规划方法的比较29-31
• 2.4 本章小结31-32
• 第3章 基于刚度的6自由度绳索牵引并联机器人的轨迹规划32-50
• 3.1 6自由度绳索牵引并联机器人的运动学及动力学模型32-35
• 3.1.1 运动学模型32-33
• 3.1.2 动力学模型33-35
• 3.2 绳索牵引并联机器人的刚度矩阵35-37
• 3.2.1 刚度分析35-36
• 3.2.2 量纲化的刚度矩阵36
• 3.2.3 条件数36-37
• 3.3 点到点的轨迹规划方法37-41
• 3.3.1 三种点到点的直线轨迹规划37-40
• 3.3.2 三种点到点的正弦轨迹规划40-41
• 3.4 三种轨迹规划方法的仿真实验41-48
• 3.4.1 加速度分析43-44
• 3.4.2 条件数分析44-46
• 3.4.3 最小特征值分析46-47
• 3.4.4 五次多项式轨迹规划方法的运行时间47-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第4章 8-6绳索牵引并联机器人的动力学控制50-66
• 4.1 8-6绳索牵引并联机器人的动力学模型50-54
• 4.1.1 工作空间的动力学模型51-53
• 4.1.2 关节空间的动力学模型53-54
• 4.2 动力学控制54-55
• 4.2.1 控制律设计54-55
• 4.2.2 控制系统的结构55
• 4.3 软件实现55-58
• 4.4 动力学控制实验结果58-64
• 4.4.1 点到点直线轨迹的实验结果58-61
• 4.4.2 圆形轨迹的实验结果61-64
• 4.5 本章小结64-66
• 第5章 总结与展望66-68
• 5.1 总结66-67
• 5.2 展望67-68
• 参考文献68-72
• 致谢72-74
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果74

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