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。     

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。     

片簧型柔顺并联机器人运动规划与轨迹跟踪技术

针对柔顺关节并联机器人系统存在的误差因素,为提高系统整体性能,开展运动规划及轨迹跟踪研究。根据性能要求,设计柔顺关节的结构参数,分析柔顺关节特性,建立机器人系统的分析模型并推导运动学方程。针对柔顺关节轴心漂移引起的杆长误差,提出一种机器人主动杆和从动杆实际杆长的计算方法,修正主动杆关节角的期望轨迹。为补偿系统振动及参数摄动误差,基于径向基(RBF)神经网络设计模型逼近控制算法,跟踪期望轨迹。基于Solid Works、ANSYS、ADAMS及Matlab/Simulink建立机器人系统的虚拟仿真模型。仿真结果表明,提出的运动规划和控制方法将未补偿柔顺关节误差时的机器人末端轨迹误差降低了84%以上,能够有效提高柔顺关节并联机器人系统的运行精度。     

温室剔补苗并联机器人设计与试验分析

我国目前对剔补苗机械化的研究很少,为了提高剔补苗机械化完成度,需要对目前具备的剔补苗移栽机进行完善,设计一款高速、高频、高精度的剔补苗并联机器人。对3条支链进行结构尺寸、材料选择上的优化,在拐点处设计适合作业要求圆弧形过渡,可以减少因惯性带来的冲击。对末端执行器的运动进行合理的轨迹规划,提高移栽稳定性。机器人的材料主要选取为：静平台、支链电机座和驱动臂材料选用经过调质处理后的45号钢,支链球铰结构材料选用7075铝合金,支链的连杆结构材料选用碳纤维杆;根据对幼苗固定生长周期的多盘穴盘苗进行统计分析,若幼苗固定生长期的茎粗在范围之外,判定为不健康幼苗,茎粗为0时,为缺苗;选用PLC控制器控制伺服电机驱动主动臂动作,进而控制电磁阀和末端执行器动作。通过对控制系统的优化,促进整个并联移栽机构的工作性能,提高剔补苗、移栽苗的工作效率。     

温室并联移栽机器人设计与试验

针对目前温室穴盘苗移栽作业存在的人工成本高、移栽作业效率低及国外移栽机不能适应我国温室穴盘苗移栽需求等问题,从移栽需求入手,制定了框架结构、并联机器人及输送装置3部分的设计方案,设计了一款结合自动化输送装置的并联移栽机器人,其具有刚度大、精度高及累积误差小的特点。同时,进行了将128孔穴盘黄瓜苗移栽至72孔穴盘中的移栽试验,结果表明:该温室并联移栽机器人在移栽加速度高于20mm/s~2时,移栽钵苗合格率明显降低。     

3-PUS-PU柔顺并联机构运动学分析与优化设计

提出一种具有高精度、高刚度的3-PUS-PU柔顺并联机构,并对该机构进行运动学分析及优化设计。根据柔性铰链结构与机构间几何关系,对3-PUS-PU柔顺并联机构的运动原理进行阐述,并分析了该机构运动特性。采用空间闭环矢量法建立机构的运动学模型,对机构的输入-输出关系和速度特性进行了分析。基于力学理论,通过求解柔性铰链的极限转角,对机构的工作空间进行分析。根据机构的工作要求,提出定位精度指标和紧凑性指标,并进一步分析机构几何尺寸参数对其性能指标的影响。基于提出的性能指标,采用粒子群优化算法对机构的结构尺寸参数进行优化设计。结果表明,相比优化前,优化后的柔顺并联机构的定位精度提高25%,紧凑性提高81%,机构整体运动性能有了较大的提升,为后续样机研制提供了参考依据。     

仿人机器人头部设计与目标跟踪运动控制

针对仿人机器人视觉目标跟踪任务需求,设计了一种高精度、灵巧型仿人机器人头部系统,构建了视觉感知模块与3自由度机械臂运动机构。利用虚拟连杆方法对仿人机器人头部进行运动学建模,将目标跟踪问题转换为机械臂的运动学逆解问题,通过计算机构可操作度与条件数,显示机器人头部对目标跟踪任务具有良好的运动学灵活性。在此基础上,基于梯度投影法建立了目标跟踪运动学逆解与规避关节极限位置的同步优化算式,并针对视觉测量系统带宽较窄、容易造成较大跟踪误差的问题,提出了在两次视觉测量间隔内用轨迹预测的方法获得目标位置的估计值,以提高跟踪精度。仿真与实验结果表明,在测量盲区内采用轨迹预测方法,可将跟踪精度提高约80%,实现高精度目标跟踪。所提出的仿人机器人头部及控制方法,对动态目标具有良好的跟踪性能。     

Tripod并联机器人运动学分析与样机实验

对Tripod并联机器人进行了运动学分析,计算了机构自由度,采用矢量代数法和数值法求出了运动学位置逆解和位置正解。利用Jacobian矩阵的条件数对其进行了运动性能评价,分析了其可达工作空间。计算结果表明该机构具有优越的各向同性性能和广阔的可达工作空间。通过ADAMS和Matlab运动学仿真软件对正解和逆解分别进行了验证。仿真实验结果证明了所建模型的正确性。并对Tripod并联机器人样机进行了精确定位实验、直线插补实验和圆弧插补实验,实验证明机构所建数学模型的正确性。     

果实收获机器人关节滑模控制系统设计与试验

针对多关节果实收获机器人难以获得精确控制模型以及控制系统的抖振问题,提出基于遗传算法实时动态调整滑模参数的控制策略,设计并制作了基于STM32微控制器和AS5045位置反馈模块及CAN总线通信模块的关节控制系统仿真和试验平台,分别在空载与负载情况下进行了关节电机位置响应试验。结果表明,采用遗传算法动态调整滑模控制器参数能够提高关节控制系统位置跟踪的响应速度,减少外界干扰和负载变化引起的控制系统抖振的幅度与持续时间,具有较强的鲁棒性。由空载和负载试验结果可知,关节6实际试验控制系统的位置跟踪响应时间比理论仿真试验增加了0.5 s,负载时控制系统的位置跟踪响应时间比空载时增加了0.3 s,但负载对系统精度和超调量并无明显影响,系统具有良好的控制效果。