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基于自适应阻抗控制的并联机器人柔顺控制研究

作　者: 马小良
导　师: 叶正茂
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 并联机器人 半物理仿真 柔顺控制 阻抗控制 模型参考自适应
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


空间对接半物理仿真技术是对接系统的研制和性能测试中的关键技术之一。在进行空间对接动力学模拟试验时,由于动力学基频和六自由度并联机器人频宽之间的制约关系,采用被动柔顺控制方法进行对接碰撞缓冲模拟受到了很多限制,特别是在环境情况未知或者不完全可知时,系统性能将会变差,甚至不稳定。因此采用主动柔顺控制对其进行仿真模拟显得尤为重要。本文采用自适应阻抗柔顺控制方法对空间对接碰撞缓冲过程进行了详细分析研究。首先,对模拟系统中的主体部分6-DOF并联机器人进行了详细的运动学分析。并考虑外界环境的作用,运用凯恩法进行了多刚体动力学建模,为后续的理论分析和仿真研究奠定了基础。然后,采用基于位置的阻抗控制方法,对碰撞缓冲单自由度模拟建模和仿真研究。设计了阻抗控制器,推导出该控制策略的稳态力误差方程,并分析出稳态力误差的影响因素,找到了阻抗参数的基本调整原则及其对控制性能的影响。建立了对称阀控制非对称缸的数学模型并进行了仿真研究,验证了理论分析的正确性。明确了阻抗控制在碰撞缓冲模拟应用中的优缺点。其次,介绍了碰撞过程模拟系统的组成及其工作原理,并进行了控制方案的设计。针对经典阻抗控制要求对环境精确了解的不足,根据Lyapunov稳定定理设计了基于接触作用力误差状态方程的自适应阻抗控制器。巧妙地找到了Lyapunov能量函数,推出了参数的调整规律,间接地调节阻抗参数,提高了系统的对环境的适应能力和抗干扰性能。并且在多种工况下分别对两种控制器的性能进行仿真研究,证明自适应控制器性能良好。最后,对论文理论和仿真研究有针对性地进行了相关实验,通过对实验和仿真结果的分析比较,更进一步地验证了理论分析和所得结论的正确性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-9
第1章 绪论  9-19
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  9-10
  1.2 并联机器人研究与应用概况  10-12
    1.2.1 并联机器人研究概况  10
    1.2.2 并联机器人应用前景  10-12
  1.3 机器人柔顺控制研究概况  12-18
    1.3.1 机器人柔顺控制分类  12-13
    1.3.2 主动柔顺控制策略  13-17
    1.3.3 柔顺控制的应用及关键问题  17-18
  1.4 本文研究的主要内容  18-19
第2章 并联机器人运动学和动力学分析  19-27
  2.1 引言  19
  2.2 运动学分析  19-24
    2.2.1 坐标系的建立及基本结构参数  19-20
    2.2.2 并联机器人位置和姿态描述  20-21
    2.2.3 机构运动学分析  21-24
  2.3 动力学分析  24-26
    2.3.1 单刚体动力学  24-25
    2.3.2 平台多刚体动力学  25-26
  2.4 本章小结  26-27
第3章 并联机器人阻抗力控制研究  27-44
  3.1 引言  27
  3.2 阻抗控制策略  27-33
    3.2.1 基于位置的阻抗控制模型  29-31
    3.2.2 目标阻抗参数对控制性能的影响  31-32
    3.2.3 阻抗控制中的稳态误差分析  32-33
  3.3 阻抗控制仿真研究  33-43
    3.3.1 基于位置的显力控制方案  33-34
    3.3.2 电液位置伺服系统数学模型  34-36
    3.3.3 目标阻抗参数的调整原则  36-39
    3.3.4 各种信号和变参数情况的仿真研究  39-43
  3.4 本章小结  43-44
第4章 自适应阻抗柔顺力控制研究  44-63
  4.1 引言  44
  4.2 柔顺力控制系统  44-48
    4.2.1 系统的组成及原理  45-46
    4.2.2 柔顺控制方案的设计  46-48
  4.3 自适应阻抗力控制器设计  48-52
    4.3.1 Lyapunov第二判别法  48-49
    4.3.2 自适应阻抗控制器设计  49-52
  4.4 自适应阻抗力控制仿真  52-62
    4.4.1 仿真模型搭建及参数选取  52-54
    4.4.2 多种情况下的仿真研究  54-62
  4.5 本章小结  62-63
第5章 柔顺力控制实验验证  63-74
  5.1 引言  63
  5.2 实验系统简介  63-66
    5.2.1 实验系统硬件  63-65
    5.2.2 实验系统软件  65
    5.2.3 实验系统主要参数  65-66
  5.3 柔顺力控制实验  66-73
    5.3.1 力跟踪特性实验  67-70
    5.3.2 动态力跟踪实验  70-72
    5.3.3 垂直向正弦运动受限时静态力跟踪实验  72-73
  5.4 本章小结  73-74
结论  74-76
参考文献  76-79
附录  79-82
致谢  82

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人 > 工业机器人
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