考虑关节柔性的六自由度串联工业机器人动力学建模与末端抖动抑制

发布时间：2020-11-21 15:05

　　 目前,工业机器人正朝着轻量化、高精度和高效率等方向发展,机器人关节柔性带来的影响越来越明显,并且由于关节柔性的存在可能也会使关节的实际输出转角与理想转角之间产生一定的差异,从而对机器人的末端轨迹产生影响,导致机器人末端的抖动,因此对考虑关节柔性的动力学建模与振动控制是非常必要且有意义的。论文在国家自然科学基金面上项目(51675306)深圳市自然科学基金面上项目(JCYJ20190812170811682)的支持下,针对珞石公司型号为XB7L的六自由度工业机器人在运行过程中末端会产生抖动问题,在刚体动力学模型的基础上,计及机器人系统中柔性因素的影响,建立了考虑关节柔性的六自由度机器人动力学模型。在动力学模型的基础上,对其动力学特性进行分析,研究不同系统参数对机器人末端法兰抖动的影响,分析影响机器人末端抖动的主要因素,最终对机器人的控制策略进行研究。首先,本文采用Kane方法建立考虑关节柔性的六自由度机器人动力学模型,使用Spong模型模拟关节柔性,建立关节柔性的动力学模型;考虑关节柔性的六自由度机器人动力学方程为偏微分方程,通过数值算法Newmark-β方法动力学方程进行求解,并利用Adams仿真验证动力学模型的准确性。其次,对XB7L机器人进行动力学特性分析。在考虑关节柔性的六自由度动力学模型的基础上,研究关节刚度、连杆质量以及转动惯量对XB7L机器人实际输出转角与末端轨迹的影响;仿真XB7L机器人末端抖动较为严重的实际工况,分析影响机器人末端抖动的主要因素;利用有限元进行模态仿真分析其固有频率等动力学特性,并进行模态实验,验证其动力学特性。最后,对XB7L机器人的末端抖动抑制进行研究。XB7L机器人自身的控制算法为基于重力补偿的PD控制,本文对独立的PD控制方法和基于重力补偿的PD控制方法进行研究。由于其机器人在不同姿态及外力作用下不确定性因素较多,重力项很难精确确定,因此当实际输出位移与理想输出位移产生误差时,重力估计值可能不能进行准确补偿,由此导致机器人的末端抖动。本文对不同PD参数基于独立PD控制下机器人实际输出轨迹进行研究,比较不同比例微分参数对输出位移的影响规律,从而得到合适的比例微分参数,使其在没有重力补偿的情况下也能保证实际输出位移与理想输出位移保持一致,从而实现对XB7L机器人末端抖动的抑制,并进行轨迹跟踪实验研究,通过实验验证了该方法对XB7L机器人末端抖动抑制的有效性。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP242.2
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 国内外研究现状与发展趋势
        1.2.1 柔性关节机器人应用现状
        1.2.2 柔性关节机器人的建模方法
        1.2.3 柔性关节机器人的控制方法
    1.3 课题目的及研究意义
    1.4 本文的主要研究内容
第2章 六自由度工业机器人的动力学建模
    2.1 引言
    2.2 XB7L机器人概述
    2.3 机器人运动学分析
        2.3.1 机器人运动学建模
        2.3.2 XB7L运动学模型仿真验证
    2.4 关节柔性机器人动力学建模
        2.4.1 柔性关节机器人的模型简化
        2.4.2 广义速率的偏速度
        2.4.3 系统广义惯性力
        2.4.4 系统广义主动力
        2.4.5 系统的Kane方程
    2.5 机器人动力学模型数值求解
    2.6 Xb7L机器人动力学模型仿真验证
    2.7 本章小节
第3章 XB7L机器人动力学特性分析
    3.1 引言
    3.2 系统参数对XB7L动力学特性的影响
        3.2.1 关节刚度对电机实际输出转角的影响
        3.2.2 关节刚度对机器人末端轨迹影响分析
        3.2.3 关节刚度对机器人速度影响分析
        3.2.4 质量对机器人末端轨迹的影响
        3.2.5 转动惯量对机器人末端轨迹影响分析
    3.3 XB7L末端抖动较为严重下的工况仿真
    3.4 XB7L机器人的模态仿真分析
    3.5 本章小结
第4章 XB7L的末端抖动抑制
    4.1 引言
    4.2 机器人独立PD控制
    4.3 基于重力补偿的PD控制
        4.3.1 控制规律设计
        4.3.2 稳定性分析
    4.4 XB7L机器人PD控制仿真
        4.4.1 创建输入输出变量及控制参数的导出
        4.4.2 建立Matlab控制模型
        4.4.3 PD参数影响规律分析
    4.5 本章小结
第5章 XB7L机器人实验研究
    5.1 引言
        5.1.1 模态实验基本理论
        5.1.2 实验方法与测试系统
        5.1.3 实验结果分析
    5.2 XB7L机器人末端轨迹跟踪实验
        5.2.1 实验方法
        5.2.2 实验结果
    5.3 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 本文研究的创新点
    6.3 思考与展望
致谢
参考文献
研究生阶段科研成果
研究生阶段参与的科研项目
学位论文评阅及答辩情况表

【参考文献】

相关期刊论文 前10条

1 刘旭亮;黄玉平;崔佩娟;徐祯祥;;柔性机械臂建模及动力学特性分析[J];噪声与振动控制;2014年06期

2 娄军强;魏燕定;杨依领;谢锋然;赵晓伟;;智能柔性机械臂的建模和振动主动控制研究[J];机器人;2014年05期

3 王田苗;陶永;;我国工业机器人技术现状与产业化发展战略[J];机械工程学报;2014年09期

4 谭民;王硕;;机器人技术研究进展[J];自动化学报;2013年07期

5 黄梁松;姜如康;姜雪梅;;七自由度机器人振动抑制的新方法[J];自动化应用;2013年02期

6 谢立敏;陈力;;漂浮基柔性空间机器人的鲁棒控制及振动抑制[J];力学学报;2012年06期

7 王斌锐;方水光;金英连;;综合关节和杆件柔性的机械臂刚柔耦合建模与仿真[J];农业机械学报;2012年02期

8 史先鹏;刘士荣;;机械臂轨迹跟踪控制研究进展[J];控制工程;2011年01期

9 李冬宁;赵雁;沈铖武;刘畅;;一种双连杆柔性臂动力学模型的研究[J];测控技术;2009年12期

10 刘华山;朱世强;吴剑波;闫莎莎;;基于奇异摄动理论的输入有界机器人轨迹跟踪控制[J];控制理论与应用;2009年12期

相关硕士学位论文 前5条

1 付邦晨;柔性关节机械臂的动力学建模和控制策略研究[D];安徽工程大学;2016年

2 崔文;多连杆柔性关节机器人的动力学与控制算法研究[D];南京航空航天大学;2016年

3 孟为来;六自由度机械臂末端轨迹跟踪控制研究[D];长安大学;2014年

4 赵欣翔;考虑关节柔性的重载工业机器人结构优化研究[D];哈尔滨工业大学;2013年

5 李兴修;柔性机械臂的振动控制研究[D];东北大学;2010年

本文编号：2893185