基于交叉耦合的并联机器人同步控制方法研究

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1、天津大学硕士学位论文基于交叉耦合的并联机器人同步控制方法研究ResearchOnSynchronizedControlStrategyForParallelManipulatorBasedonCross-Coupled一级学科：机械工程学科专业：机械工程作者姓名：曾侠指导教师：王喆副教授梅江平副教授天津大学机械工程学院二零一五年十二月中文摘要本文密切结合机器人3D打印、机器人涂胶、并联机床等领域对并联机器人轨迹高精度要求，在国家自然科学基金“基于电机性能参数的高速并联机构集成优化设计”项目的资助下，以三自由度Delta并联机器手为例，系统研究

2、了轮廓误差模型与交叉耦合同步控制，包括运动学和刚体动力学建模、轮廓误差数学建模、交叉耦合控制器设计等，并结合Delta并联机械手工程化样机，开展性能试验研究。全文取得如下成果：在运动学和动力学建模方面，运用矢量链法建立了机械手运动学模型，并针对并联机器人逆解难以求解的特点，得到了位置正解表达式。同时采用雅可比矩阵方法得到并联机器人的速度、加速度解析表达式。结合并联机械手的特点，建立了完备和简化刚体动力学模型，简化刚体动力学模型具有较高的计算效率和较好的精度，而且为基于交叉耦合的机器人力矩前馈控制奠定了基础。在空间轮廓误差建模方面，首先针对二维

3、平面曲线，建立了平面直线、圆弧轨迹轮廓误差模型。在此基础上在三维空间进行扩展，建立和分析了三维空间的任意曲线的轮廓误差模型。针对三维空间轮廓误差模型，创新性的提出了一种基于Frenet标架的空间轮廓误差估计模型，排除了系统的时滞效应对轮廓误差的影响，提高了控制算法对轮廓误差的控制效果。在交叉耦合控制器设计方面，针对Delta并联机械手，设计了一种变增益交叉耦合控制器，并分析了该交叉耦合控制器的李雅普诺夫稳定性。同时建立了simulink动力学仿真模型，并分别结合PD控制、力矩前馈PD控制进行了仿真，结果表明交叉耦合控制器对于提高机器人轮廓跟踪

4、精度具有显著作用。利用上述研究成果，开展了交叉耦合控制性能试验。试验结果表明：在空间直线、圆弧轨迹试验下，基于力矩前馈的交叉耦合控制具有减小轮廓误差和关节跟踪误差的良好效果，进而验证了本文所述理论和方法的正确性和有效性。本文研究成果对发展并联机器人控制理论，推广其在实际工程中的应用具有重要的理论和实用价值。关键词：并联机械手；轮廓误差；交叉耦合控制；Frenet标架IAbstractInthispaper,combinedwith3Dprinting,robotglue,parallelmachinetool,andotherfieldsof

5、parallelrobottrajectoryprecisionrequirements,inthenationalnaturalsciencefund"high-speedparallelmechanismbasedonmotorperformanceparametersoftheintegratedoptimizationdesign"project,withthreeDOFDeltaparallelmanipulatorasanexample,thisdissertationpresentsthecontourerrormodeland

6、cross-coupledsynchronizationcontrol,includingkinematicsandrigidbodydynamicsmodeling,contourerrorofmathematicalmodeling,andcross-coupledcontrollerdesign,andconnectingwiththeengineeringprototypeDeltaparallelmanipulator,performanceteststudy.Thefollowingachievementshavebeenacqu

7、ired:Intermsofkinematicsanddynamicsmodelingisestablishedbyapplyingthemethodofvectorchainmanipulatorkinematicsmodel,andaccordingtothecharacteristicsoftheparallelrobotinverseproblemstosolve,thepositivepositionsolutionexpressionisobtained.Atthesametimeusingjacobianmatrixmethod

8、,thevelocityandaccelerationanalyticexpressionsoftheparallelrobotisbotained.Accordi