三平动并联机器人动力学建模与控制系统研发

发布时间：2017-06-02 05:03

  本文关键词：三平动并联机器人动力学建模与控制系统研发，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文主要针对一种三平动并联机器人的控制系统设计,同时结合课题组对汽车柔性生产线上白车身输送定位平台的应用研究,以三平动3-UPU并联机构作为白车身输送平台定位平台的定位机构。文中围绕该并联机构进行一系列研究,完成了3-UPU并联机构的运动学分析、工作空间分析、动力学建模、SimMechanics建模,并根据输送定位平台对控制系统精确与快速性等特性的设计要求,设计了控制算法并建立控制系统模型。首先根据该并联机构参数与特点,基于D-H法与几何法分别建立运动学模型,求解了运动学正逆解与并联机构的雅克比矩阵。根据并联机构的虎克铰与移动副的约束条件,通过MATLAB软件编程求解了机构的工作空间范围,并绘制出3-UPU并联机构的工作空间三维图。然后根据第二类拉格朗日法,通过求解机构上平台与支链的动能和势能并同时考虑支链的移动副摩擦误差,建立动力学方程的显式标准式,使用规划的轨迹进行动力学仿真得到了三个驱动杆的力矩曲线。本文使用三种不同的控制方案对该并联机构进行控制系统的仿真,利用MATLAB的SimMechanics工具箱得到的3-UPU的模型作为控制系统的仿真对象。采用经典PID控制、鲁棒PI控制和基于改进遗传算法的鲁棒PI控制算法建立SIMULINK模型,得到在不同控制方案下控制轨迹跟踪曲线、速度跟踪曲线、误差曲线等。最后综合考虑白车身定位平台的控制要求,选择伺服驱动电动缸作为3-UPU并联机构的驱动单元,选择美国泰道公司的四轴工业运动控制器作为下位机,使用PC机作为并联机器人控制系统上位机的控制系统硬件方案。本文提出的三种针对白车身输送平台的3-UPU并联机构控制系统,通过SIMULINK仿真表明:使用基于改进的遗传算法鲁棒PI控制方案能够实现并联机构快速准确的轨迹跟踪,而且抗干扰性强、易于实现,优于其它两种方案。
【关键词】：白车身输送定位平台 3-UPU并联机构 极限边界搜索法 第二类拉格朗日动力学模型 改进遗传算法 鲁棒PI控制
【学位授予单位】：河北工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 引言10
• 1.2 并联机器人的发展概述10-14
• 1.3 机器人在汽车行业中的应用14-16
• 1.4 并联机器人控制研究现状16-18
• 1.5 研究目的与研究意义18
• 1.5.1 课题研究目的18
• 1.5.2 课题研究意义18
• 1.6 本文研究的主要内容18-20
• 第2章 三平动并联机器人运动学与工作空间分析20-34
• 2.1 引言20
• 2.2 三平动并联机器人运动学建模20-26
• 2.2.1 3-UPU并联机器人简介20-21
• 2.2.2 3-UPU并联机器人运动学建模21-26
• 2.3 三平动并联机构工作空间分析26-33
• 2.3.1 机器人工作空间26
• 2.3.2 极限边界搜索法工作空间分析26-33
• 2.4 本章小结33-34
• 第3章 三平动并联机器人动力学分析与轨迹规划34-49
• 3.1 引言34
• 3.2 机器人动力学模型34-39
• 3.2.1 并联机构的速度、加速度关系34-37
• 3.2.2 Lagrange动力学理论基础37-38
• 3.2.3 机器人动力学模型的基本性质38-39
• 3.3 基于第二类拉格朗日法建立并联机构动力学模型39-44
• 3.3.1 并联机构的动能39-41
• 3.3.2 并联机构的势能41-43
• 3.3.3 并联机构动力学显式标准式43-44
• 3.4 三平动并联机构轨迹规划44-45
• 3.5 算例分析45-48
• 3.6 本章小结48-49
• 第4章 三平动并联机器人建模与控制系统设计49-72
• 4.1 引言49
• 4.2 基于SimMechanics工具箱的三平动并联机器人建模49-58
• 4.2.1 MATLAB的SimMechanics工具箱及插件的安装与使用49-53
• 4.2.2 三平动并联机器人的SimMechanics模型53-58
• 4.3 基于传统控制方案的运动学仿真58-60
• 4.4 三平动并联机器人先进控制算法设计60-66
• 4.4.1 并联机构的摩擦模型61-62
• 4.4.2 稳定性理论62-63
• 4.4.3 机器人鲁棒PI控制63-64
• 4.4.4 稳定性分析64
• 4.4.5 机器人遗传算法64-66
• 4.5 基于动力学方程的MATLAB仿真66-71
• 4.6 本章小结71-72
• 第5章 三平动并联机器人控制系统的硬件设计72-81
• 5.1 引言72-73
• 5.2 三平动并联机构电动杠选型73-78
• 5.2.1 滚珠丝杠与伺服电机选型73-76
• 5.2.2 伺服驱动系统数学模型76-78
• 5.3 三平动并联机构的控制器选型78-80
• 5.3.1 工业运动控制器概述78-79
• 5.3.2 泰道IMAC400运动控制器79-80
• 5.4 本章小结80-81
• 结论81-83
• 致谢83-84
• 参考文献84-89
• 作者简介89
• 攻读硕士期间研究成果89-90

【参考文献】

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本文编号：414268