高精度绳驱冗余机器人及其柔顺控制方法研究
发布时间：2021-04-29 02:08
具有机械电气分离和长径比大特点的冗余绳驱机器人在狭小空间环境中的运用越来越多,比如太空卫星内部检修、核电站管道检测等,但是处于半闭环控制的运动精度较差和控制方法不够丰富等原因极大限制了其使用范围和效果。本文将针对绳驱机器人使用中的实际问题,研制一款高精度绳驱冗余机器人,研究其控制方法,也为后续关于绳驱机器人的研究提供可拓展实验平台。针对在狭小空间中开展维修、装配等精细作业的需求,提出了一种高精度绳驱冗余机器人系统方案,该机器人采用模块化设计,由臂杆和驱动箱体组成,有8个自由度,驱动控制箱体中集成了电机驱动器和拉力传感器,模块化中心块带有分体式测量角度编码器,多级传感器保障了高精度的负反馈控制。在机器人结构设计的基础上,建立了绳驱冗余机器人的“电机—绳索—关节—末端”多空间映射的位置级和速度级运动学模型,推导了逆运动学求解方程,设计基于雅克比伪逆和基于雅克比速度层的运动学逆解流程,并编写了直线和圆弧轨迹规划程序,计算结果表明基于雅克比伪逆的方法速度较快。用牛顿欧拉方法建立了绳驱冗余机器人的静力学模型,提出了一种误差优化逆解方法,将误差呈现正态分布的特点带入优化逆解中,该方法能通过绳索长度...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题背景
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 本文的主要研究内容
第2章 高精度绳驱冗余机器人机械设计
2.1 引言
2.2 性能需求分析与参数
2.2.1 系统需求分析
2.2.2 性能参数
2.3 机器人系统设计
2.3.1 机器人臂杆自由度选择和配置
2.3.2 机器人本体设计
2.3.3 绳索拉力和运动精度测量系统
2.4 臂杆绳索受力分析与零部件校核
2.4.1 几何法力学模型
2.4.2 重要零件校核
2.5 机器人整体
2.6 本章小结
第3章 绳驱动冗余机器人运动学建模
3.1 引言
3.2 机器人运动学关系分析
3.3 绳驱空间与关节空间
3.3.1 单段绳驱空间与关节空间
3.3.2 臂杆绳驱空间与关节空间解耦
3.4 关节空间与工作空间
3.4.1 正运动学分析
3.4.2 基于雅克比伪逆的逆运动学
3.4.3 基于雅克比速度层的逆运动学
3.5 本章小结
第4章 绳驱机械臂柔顺控制方法
4.1 引言
4.2 机械臂静力学模型
4.3 绳驱机械臂柔顺控制
4.3.1 绳驱关节的力位混合控制
4.3.2 导纳控制
4.4 本章小结
第5章 绳驱冗余机器人样机与实验
5.1 引言
5.2 样机集成
5.2.1 臂杆集成和驱动箱体集成
5.2.2 测量系统集成
5.2.3 软件硬件系统搭建
5.2.4 整体样机
5.3 样机实验
5.3.1 精度测量实验
5.3.2 轨迹实验
5.3.3 力学控制实验
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于力/位混合控制的机器人打磨[J]. 余波,李嘉龙,彭楷烽. 机械工程与自动化. 2019(04)
[2]含过约束的串联机器人受力分析与动力学建模[J]. 武冰昕,吴连松,万英和,汪旸,陈芳. 制造业自动化. 2018(12)
[3]蛇形机械臂的机构设计与关节驱动分析[J]. 马可,李斌,王聪,张良全,常健. 高技术通讯. 2017(Z2)
[4]用于线绳传动机械臂的模块化驱动装置设计[J]. 汤磊,王俊刚,李琳琳,谷国迎,朱利民,朱向阳. 机械设计与研究. 2016(02)
[5]蛇形臂机器人装配系统研究[J]. 姚艳彬,杜兆才,魏志强. 航空制造技术. 2015(21)
[6]空间机械臂技术发展综述[J]. 刘宏,蒋再男,刘业超. 载人航天. 2015(05)
[7]蛇形臂机器人高精度位置伺服系统建模与仿真[J]. 魏志强,袁伟. 航空制造技术. 2014(21)
[8]考虑关节限位的冗余度机器人重复性路径规划研究[J]. 贾庆轩,吴楚锋,陈钢,孙汉旭. 高技术通讯. 2013 (05)
[9]绳索系统的建模、动力学和控制[J]. 金栋平,文浩,胡海岩. 力学进展. 2004(03)
硕士论文
[1]面向空间应用的连续型绳驱柔性机械臂设计[D]. 符海明.哈尔滨工业大学 2019
[2]狭小空间作业绳驱分段联动机器人设计及控制研究[D]. 付亚南.哈尔滨工业大学 2018
[3]六自由度绳牵引并联机器人力位混合运动控制[D]. 王文杰.西南科技大学 2018
[4]线驱动柔性充电机器人系统的设计与控制研究[D]. 王浩淼.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3166624
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：76 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.1.1 课题来源
1.1.2 课题背景
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状
1.2.2 国内研究现状
1.3 本文的主要研究内容
第2章 高精度绳驱冗余机器人机械设计
2.1 引言
2.2 性能需求分析与参数
2.2.1 系统需求分析
2.2.2 性能参数
2.3 机器人系统设计
2.3.1 机器人臂杆自由度选择和配置
2.3.2 机器人本体设计
2.3.3 绳索拉力和运动精度测量系统
2.4 臂杆绳索受力分析与零部件校核
2.4.1 几何法力学模型
2.4.2 重要零件校核
2.5 机器人整体
2.6 本章小结
第3章 绳驱动冗余机器人运动学建模
3.1 引言
3.2 机器人运动学关系分析
3.3 绳驱空间与关节空间
3.3.1 单段绳驱空间与关节空间
3.3.2 臂杆绳驱空间与关节空间解耦
3.4 关节空间与工作空间
3.4.1 正运动学分析
3.4.2 基于雅克比伪逆的逆运动学
3.4.3 基于雅克比速度层的逆运动学
3.5 本章小结
第4章 绳驱机械臂柔顺控制方法
4.1 引言
4.2 机械臂静力学模型
4.3 绳驱机械臂柔顺控制
4.3.1 绳驱关节的力位混合控制
4.3.2 导纳控制
4.4 本章小结
第5章 绳驱冗余机器人样机与实验
5.1 引言
5.2 样机集成
5.2.1 臂杆集成和驱动箱体集成
5.2.2 测量系统集成
5.2.3 软件硬件系统搭建
5.2.4 整体样机
5.3 样机实验
5.3.1 精度测量实验
5.3.2 轨迹实验
5.3.3 力学控制实验
5.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
致谢
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于力/位混合控制的机器人打磨[J]. 余波,李嘉龙,彭楷烽. 机械工程与自动化. 2019(04)
[2]含过约束的串联机器人受力分析与动力学建模[J]. 武冰昕,吴连松,万英和,汪旸,陈芳. 制造业自动化. 2018(12)
[3]蛇形机械臂的机构设计与关节驱动分析[J]. 马可,李斌,王聪,张良全,常健. 高技术通讯. 2017(Z2)
[4]用于线绳传动机械臂的模块化驱动装置设计[J]. 汤磊,王俊刚,李琳琳,谷国迎,朱利民,朱向阳. 机械设计与研究. 2016(02)
[5]蛇形臂机器人装配系统研究[J]. 姚艳彬,杜兆才,魏志强. 航空制造技术. 2015(21)
[6]空间机械臂技术发展综述[J]. 刘宏,蒋再男,刘业超. 载人航天. 2015(05)
[7]蛇形臂机器人高精度位置伺服系统建模与仿真[J]. 魏志强,袁伟. 航空制造技术. 2014(21)
[8]考虑关节限位的冗余度机器人重复性路径规划研究[J]. 贾庆轩,吴楚锋,陈钢,孙汉旭. 高技术通讯. 2013 (05)
[9]绳索系统的建模、动力学和控制[J]. 金栋平,文浩,胡海岩. 力学进展. 2004(03)
硕士论文
[1]面向空间应用的连续型绳驱柔性机械臂设计[D]. 符海明.哈尔滨工业大学 2019
[2]狭小空间作业绳驱分段联动机器人设计及控制研究[D]. 付亚南.哈尔滨工业大学 2018
[3]六自由度绳牵引并联机器人力位混合运动控制[D]. 王文杰.西南科技大学 2018
[4]线驱动柔性充电机器人系统的设计与控制研究[D]. 王浩淼.哈尔滨工业大学 2017
本文编号：3166624
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