高速轻型并联机器人集成优化设计与控制

《高速轻型并联机器人集成优化设计与控制》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文高速轻型并联机器人集成优化设计与控制INTEGRATEDOPTIMALDESIGNANDCONTROLOFHIGH-SPEEDANDLIGHT-WEIGHTPARALLELMANIPULATOR陈正升哈尔滨工业大学2015年12月国内图书分类号：TP241.2学校代码：10213国际图书分类号：621密级：公开工学博士学位论文高速轻型并联机器人集成优化设计与控制博士研究生：陈正升导师：刘明教授副导师：孔民秀副教授申请学位：工学博士学科：机械设计及理论所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年12月授予学

2、位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TP241.2U.D.C:621DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringINTEGRATEDOPTIMALDESIGNANDCONTROLOFHIGH-SPEEDANDLIGHT-WEIGHTPARALLELMANIPULATORCandidate：ChenZhengshengSupervisor：Prof.LiuMingAssociateSupervisor：AssociateProf.KongMinxiuAc

3、ademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MachineDesignandTheoryAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：December,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要并联机器人以其大负载自重比、高刚度及高精度等优点被广泛用。随着现代工业中对生产效率要求的不断提高，并联机器人

4、已被越来越多地应用于高速磨削、搬运及装配中，同时为降低机器人的生产成本及减少能源消耗，考虑轻量化的现代设计方法已逐渐应用于机器人的研制中。在高速运行工况下，轻量化的结构通常会引入弹性变形与振动，当采用传统针对刚性机器人的分析及控制方法时，将无法保证机器人的跟踪精度和动态性能。为解决并联机器人在高速运行时存在的共性问题，本文以具有典型结构的3RRR并联机器人为对象，开展了面向控制系统设计的并联机器人刚柔耦合动力建模；综合机构优化、驱动与传统部件参数匹配及控制系统参数调整于一体的集成优化设计；基于模型的轨迹优化及控制研

5、究，并进行了性能测试与实验研究。首先对3RRR并联机器人进行运动学与刚体动力学建模，以此为基础，从欧拉梁的基本假设出发，考虑杆件端部的刚性特征，采用曲率有限元（CFE,Curvaturebasedfiniteelement）对杆件进行离散化建模，并推导并联机器人杆件中常用的悬臂梁及简支梁模型，从而考虑杆件端部刚性提出改进的曲率有限元（ICFE,improvedcurvaturebasedfiniteelement）方法。根据推导的杆件模型及小变形假设，提出杆件弹性位移与机器人刚体耦合运动的建模方法。根据上述模型并结

6、合Kane方程建立3RRR并联机构的刚柔耦合动力学模型。为对推导的动力学模型进行验证，分别对模态与加速度响应进行分析，并将推导模型的计算值与ABAQUS模仿真值进行对比，同时根据模态分析对模型进行简化。结果显示，随着对杆件端部特征的考虑，模态分析与加速度响应分析结果与ABAQUS仿真结果吻合度得到显著提高，由于对模型的合理简化且求解时避免了对刚柔耦合运动约束方程的迭代，本文推导的模型保证了较高的计算精度与计算效率。为实现高速并联机器人良好的综合性能，提出集机构优化、驱动传动部件参数匹配及控制系统参数调整于一体的集成

7、优化设计方法。为适应高速运行要求，在机构优化时考虑全局条件数、速度性能、加速能力及基频等运动学与动力学指标；为保证驱动及传动部件的经济性及参数匹配，建立其约束模型及参数库，并选择成本为优化目标；为取得高精度的控制性能，设计了动力学前馈加PD的控制算法，并选择系统跟踪误差为优化目标。从而建立包含机构参数、驱动与传动部件参数及控制系统参数的优化模型，并采非支配遗传算法NSGAII对模型求解，最终完成对高速并联机器人的集成优化设-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文计。优化结果表明，集成优化设计有效提高了高速并联机器人的综

8、合性能。为对高速并联机器人进行弹性位移（FD，flexibledisplacement）限制与残余振动（RV，Residuevibration）抑制，本文从轨迹规划的角度出发，考虑杆件柔性，对给定轨迹与点到点快速定位两种情况下的残余振动抑制与弹性位移限制问题进行研究。针对给定轨迹时的残余振动抑制问题，考虑到并联机器人各阶频率随位置改变的特点，将多模态输入整形