柔顺关节并联机器人动力学建模与控制研究

对具有大范围运动特性的柔顺关节并联机器人开展了动力学建模、特性分析、控制策略设计及动态性能分析等研究。基于伪刚体法,研究柔顺关节特性,建立含大变形柔顺关节的系统模型,应用拉格朗日方法建立了系统动力学方程。为补偿柔顺关节引起的系统振动、未建模动态以及惯性参数摄动造成的模型误差,设计趋近律滑模控制策略并证明了其稳定性。仿真结果验证了动力学模型和控制策略的有效性。     

并联机器人中柔顺关节代替传统关节可行性分析

在3-RRR平面并联机器人中,驱动杆和连杆之间的传统关节被柔顺关节代替,形成含有柔顺关节的并联机器人。基于含有柔顺关节的并联机器人动力学模型和传统关节并联机器人动力学模型,从理论上求解并对比了在并联机器人中加入柔顺关节前后动平台的轨迹、驱动力矩以及驱动杆的转角变化,同时通过实验对比了两者的动平台轨迹,验证了大范围宏观运动的3-RRR并联机器人中柔顺关节代替传统关节的可行性,为柔顺关节并联机器人的进一步研究打下了基础。     

大空间运动3-RRRU并联机器人运动学标定与误差分析

并联机器人具有高速、高刚度和大负载等明显优势,被广泛应用到农业和工业领域,但多关节导致该类机器人控制精度不高。针对大空间运动3-RRRU并联机器人的运动学建模和误差标定方法展开了系统、深入研究。综合应用DH法和空间矢量法建立了机器人的运动学模型,在此基础上,借助偏微分理论推导并建立机器人的误差模型;应用激光跟踪仪进行不同轨迹下机器人的空间位置数据采集,对一般遗传算法进行改进,以等步距搜索策略实现主要遗传算子的优化,并通过全局数值寻优获取机器人的误差补偿数据,完成标定和补偿工作。实验表明：基于直线标定方式,补偿后直线轨迹跟踪误差控制在0.14～1.34mm,但不适用于曲线轨迹补偿,其实测补偿后的最大误差高达5.08mm。曲线轨迹标定精度高于直线轨迹标定,补偿后将直线和曲线两种路径下的最大误差分别降低至1.18mm和1.56mm。该标定方法自动化程度高,适用于含有大量关节并联机器人的误差标定工作。     

基于外力估计的并联机器人柔顺控制策略研究

针对并联机器人在作业过程中的位置精确控制及柔顺控制问题,提出了基于外力估计的并联机器人柔顺控制策略,实现并联机器人在作业过程中位置和力的高性能动态交互。基于外力估计的柔顺控制实现过程中,考虑到接触力传感器成本较高,提出一种无传感器外力估计的方法。首先建立并联机器人以及伺服运动系统动力学模型,利用所建立的动力学模型和电机的电流反馈值来估算外力作用时机器人关节力的变化。其次根据估算的并联机器人关节力,设计基于位置的阻抗控制,使并联机器人末端执行器与环境柔性接触,确保并联机器人的作业精准度与柔顺度。最后选取合适的阻抗控制参数,对所提出的柔顺控制策略进行仿真分析并且在搭建的实验平台上进行了实验验证,实验结果表明所提出的方法可以实现并联机器人的精确柔顺作业。     

柔顺关节并联机器人设计与实验

通过实验研究,运用结构参数化方法设计了满足要求的柔顺关节,用以代替传统运动副进行传动,建立了含有柔顺关节的柔顺并联机器人机构,并与控制系统和OPTOTRAK测量系统一起组成实验系统,开展柔顺关节并联机器人动力学建模、分析、设计、规划与控制等方面的系统研究.以3自由度柔顺并联机器人为研究对象,分别对用转动副传动的刚性并联机器人和用柔顺关节传动的柔顺并联机器人进行了实验研究.通过对实验数据的对比分析,各项实验指标相对误差均控制在允许之内,表明在并联机器人中用柔顺关节取代转动副的有效性.     

柔顺关节并联机器人动力学模型

首次采用初始弯曲梁的伪刚体模型建立了柔顺关节的双1R伪刚体模型,应用拉格朗日方程和虚拟切割法推导了柔顺关节并联机器人系统动力学方程。对方程进行了数值求解,结果显示在理想结果的基础上存在低幅高频振动,而简化模型结果却比较理想,这表明理论模型比简化模型更能反映柔顺关节并联机器人这种刚柔耦合系统的特征;同时理论轨迹与ADAMS-ANSYS联合仿真轨迹、实验轨迹进行对比,最大相对误差分别为2.41%和4.69%,验证了理论模型的正确性。     

并联机器人开槽薄壁柔顺关节设计与实验

针对传统柔顺关节运动范围小、易产生轴向漂移的不足,依据3RRR并联机器人运动范围,以关节的移动范围及所需刚度作为条件,对关节的几何尺寸进行了设计计算,并用ANSYS软件进行强度分析,设计了一种新型开槽式薄壁柔顺关节。利用扭转作为主要变形方式时,该柔顺关节具有扭转角度可达到36°及轴线相对固定不易漂移的优点。根据关节设计尺寸选择65Mn为材料进行了加工,在三自由度并联机器人实验平台上进行了片簧式与开槽式两种柔顺关节的实验对比,实验结果表明设计的开槽式薄壁柔顺关节能够完成轨迹跟踪任务,且最大相对误差为6.05%,对比片簧式柔顺关节具有一定优越性。     

柔性并联机器人非线性摩擦动力学建模与速度规划

为了实现柔性并联机器人的高速、高精度控制,基于HensensKostic理论,计入关节非线性摩擦力建立了Lagrange动力学误差模型,测试了补偿前后机器人的单点定位误差。基于机构最大速度和加速度约束条件,分析了S型和常用T型2种速度规划算法下机器人的位置误差和速度性能。仿真结果表明:T型速度规划位置和速度跟踪最大误差为78.1μm和11.4 mm/s,而S型速度规划分别是37.8μm和3.72 mm/s,且2个终止点定位误差仅为8.1μm和8.9μm;速度性能方面,S型速度峰值误差变化最大仅为1.74 mm/s,远小于T型速度规划的6.88 mm/s。可见,在高速下S型速度规划算法保证了较高的位置跟踪精度尤其是定位精度,速度尖峰突变小且整体曲线相对平缓,大幅提高了速度跟踪精度和运动平稳性,更易于实现机器人高速、高精度平稳控制。实验测试了机器人连续运动下定点位置误差,仿真所得位置误差小于实测数据,存在100μm左右的误差,但所得结论一致,验证了仿真分析的有效性。     

虚拟轴工作台机构的误差分析和补偿

为了了解机构的原始误差对运动平台输出位姿的影响,从而采取措施消除误差来提高精度,对3T-1R4自由度并联机器人机构作误差分析和补偿。在已建立的位置反解模型基础上,确定参与机构误差建模的结构参数,以全微分误差分析理论为基础,建立机构的误差模型以及误差求解算法。针对结构参数和输入运动参数等的原始误差作误差求解仿真和定量分析。充分运用误差正解和反解模型,探讨软件补偿法的工作空间补偿和关节空间补偿,提出相应的误差补偿算法。用误差补偿算法仿真了机构的误差补偿,实例说明2种误差补偿算法可靠实用。     

基于参考轨迹实时修正的机器人轨迹跟踪控制方法

针对动力学不确定性的机器人轨迹跟踪问题,本文提出一种基于参考轨迹实时修正的机器人轨迹跟踪控制方法。将轨迹跟踪中已产生的误差进行累加,实时前馈补偿到参考轨迹上即将被跟踪的点上。给出了该方法的控制框图,由控制框图导出跟踪误差与命令误差之间的关系式。关系式表明只需控制器中的控制算法保证速度误差稳定,即可保证跟踪误差收敛。此外,提高补偿增益的值可以提高误差的收敛速度。分析PD控制律能满足所提方法的收敛条件。给出了所提方法中参数的调节方案。通过仿真和实验验证了该方法的有效性。实验结果表明,各个关节跟踪轨迹1得到的误差绝对值均不大于0.008 7 rad;跟踪轨迹2得到的误差绝对值均不大于0.005 9 rad。     

农业物料移运机器人协同作业时间最优轨迹规划方法

为了解决机器人将农产品从收获场所转移到仓库或运输车辆存在的移动轨迹和作业轨迹相对独立且耗时长的问题,本文设计一种物料移运机器人,并提出一种物料移运机器人协同作业时间最优轨迹规划方法,获得机器人作业系统和行驶系统协同作业的时间最优轨迹。该方法建立机器人协同作业的运动学模型和动力学模型,对物料移运机器人开展时间最优轨迹规划,并基于Lyapunov理论设计控制律减少跟踪误差,最后通过Matlab/Simulink和ADAMS联合仿真验证方法的有效性。结果表明,提出的轨迹规划方法可使机器人在抓放料协同作业和避障协同作业中取得平滑且时间最优的运动轨迹,机器人各关节的位移、速度、加速度、力/力矩曲线变化平缓,两履带牵引力满足机器人的要求且可快速稳定跟踪时间最优路径。     

应用于茶叶罐分拣的码垛机器人最优关节空间控制

针对茶叶罐分拣生产线的高效率运动控制,提出一种码垛机器人最优关节控制方法。首先,设计茶叶罐分拣码垛机器人生产线的三维模型,根据拉格朗日方程推导出机器人动力学模型,明确模型的输入输出关系。进而,利用萤火虫算法的寻优优势对码垛机器人进行运动学反解,并引入NUBRS曲线平滑处理经五阶多项式插补的轨迹。最后,设计快速连续非奇异终端滑模控制器来实现关节空间内的高精度轨迹跟踪控制。研究结果表明:与滑模控制和反步法控制相比,本文控制器具有更高的控制性能;萤火虫算法能在0.37 s内求解机器人反向运动学,结合五阶多项式插补法与NUBRS曲线能获得光滑柔顺的参考关节轨迹;本文控制器能有效抑制集总干扰力矩影响,保证机器人关节空间内轨迹跟踪精度。     

农业并联机器人同步滑模控制

农业并联机器人的多支链相对末端执行器运动的协调性、耦合性成为并联机器人运动控制的难题,鉴于此,提出一种将同步控制与滑模控制相结合的控制方法。仿真和实验结果表明,该控制方法跟踪性能好,响应速度快,系统误差小,具有较强的鲁棒性,能够满足并联机器人的控制要求。     

风洞6_PUS并联支撑机器人运动误差建模与补偿

针对风洞6自由度并联支撑机器人,利用单支链D-H参数方法和摄动法建立了其运动误差模型,编写了误差模型仿真程序。根据风洞实验所需的6种典型运动模式,分析了不同模式下并联支撑机器人输出运动位姿的误差,得到了典型运动模式的误差变化规律。在风洞并联支撑机器人的构件设计和装配过程进行了针对性的误差控制,使设计和制造的并联支撑机器人精度达到了风洞实验的要求,并通过在风洞实验中嵌入与运动误差仿真类似的误差估算程序,再对风洞实验中被试模型的位姿误差进行补偿,实验证明这种方法提高了风洞实验数据的精度。     

城市园林自动修剪机器人动力学仿真研究

园林修剪的意义在于提升整体城市绿化与规划水平。为此,在深入理解城市园林自动修剪机器人的整体结构与工作原理的基础上,结合机构部件的运动学规律,得出修剪机器人的动力学理论模型,并根据修剪机器人各关节的工作空间,通过驱动函数与下位机程序控制,开关量输出至修剪机器人各运动执行部件开展修剪仿真作业试验。结果表明:利用机构的运动定位与补偿功能,可实现修剪机器人各关节作业定位的准确性,定位误差控制在6%左右;不同轨迹跟踪,多次目标函数优化,便于掌握各关节臂的运动角度与作业过程中的扭矩变化情况,了解自动修剪机器人实际运动轨迹及各主要执行关节扭矩与剪切力,可为相似修剪机器人的开发与改进提供一定思路。     

基于磁通叠加原理的变刚度关节设计与特性研究

基于磁通叠加原理，提出了一种机器人变刚度关节，在减少了关节质量的同时增加了关节刚度的调整速度和运动范围。阐述了通过电信号直接调整永磁-电磁混合式变刚度装置中磁通量，实现刚度改变的工作原理，并以此原理设计关节整体机构。根据磁通连续性原理和虚位移法建立了关节刚度模型，并给出关节刚度随电流和关节位置的变化关系。以变刚度关节刚度模型为基础，设计了变刚度关节位置与刚度协调控制器，搭建了变刚度关节的原理样机。实验结果表明，基于磁通叠加原理的变刚度机器人关节可以实现关节刚度的快速调节，关节的位置和轨迹跟踪精度随着刚度的增加而增加，随着频率的增加而降低。     

空间刚柔耦合并联机器人动力学求解策略

针对空间刚柔耦合并联机器人在动力学方程求解过程中存在的违约问题,提出了一种基于瞬态刚体校正法的非线性动力学模型求解方法。利用自然坐标法和绝对节点坐标法构建该3-RRRU并联机器人的正动力学模型与逆动力学模型,考虑各支链柔性空间梁单元的剪切效应,并可描述其大范围非线性弹性变形。基于自然坐标法和刚性机构的运动学模型,分别提出2种动力学模型的瞬态刚体校正法,同时从系统能量等角度总结出获取该动力学系统稳定因果解的求解策略。仿真结果表明,动力学方程的求解精度为10-6,约束方程的相容误差为10-8,满足工程应用的要求,且有效地改善了动力学系统的综合收敛性能。通过圆形轨迹跟踪实验可知,与理想刚性模型的控制方法相比,基于逆动力学稳定因果解构建控制方法最大跟踪误差降低了0.372 mm,圆度误差降低了1.46 mm;各柔性杆上特征点处主应变测量值与理论计算值均处同一数量级,且具有相同的变化趋势,从而验证了该方法的有效性。     

刚柔耦合空间闭链机器人轨迹跟踪与振动抑制研究

针对含多变量高维度空间刚柔耦合闭链机器人的轨迹跟踪和振动抑制问题,提出了一种基于前馈补偿的PD控制方法。首先,采用有限元法对柔性空间构件进行离散,基于浮动坐标系描述柔性构件位移场矢量,并根据Lagrange方程建立考虑刚性末端执行器微小位移的刚柔耦合空间并联机器人动力学模型;然后,利用前馈控制对预先求出的含耦合效应的控制力矩进行补偿,提高刚柔耦合控制系统的响应速度及跟踪性能,同时通过PD控制律保证空间闭链机器人的轨迹精度,并对不同末端载荷作用下的轨迹跟踪精度进行分析;最后,与位置PID算法进行了比较。结果表明:与位置PID算法相比,基于控制算法作用下的刚性末端执行器轨迹精度得到提高,其中,X方向误差降低了89.7%,Y方向误差降低了4.3%,Z方向误差降低了12.9%,柔性空间构件产生的振动得到了有效抑制。