绳索牵引并联机器人的动力学建模与控制研究

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绳索牵引并联机器人是在传统刚性连杆并联机器人的基础上发展起来的一类新型并联机器人。绳索牵引并联机器人采用绳索代替刚性连杆将末端执行器与静平台连接起来,使其具有工作空间大、负载质量比高、造价成本低和易于模块化和维修等优点。然而,绳索的弹性和柔性、绳索在自重作用下产生的下垂以及绳索的时变质量问题都给绳索牵引并联机器人的动力学建模与运动控制带来了巨大的挑战。因此,本文针对绳索牵引并联机器人的动力学建模和动力学控制进行了研究,主要工作可归纳为以下四个方面:第一,当绳索牵引并联机器人的运动较为缓慢时,在建立机器人动力学模型的过程中可以采用绳索的静力学模型代替绳索的动力学模型。为此,本文针对6-DOF绳索牵引并联机器人,分别建立了绳索的直线模型和绳索的悬链线模型,并分别基于这两种绳索模型建立了机器人的动力学模型。第二,由于悬链线超越函数的引入使得绳索牵引并联机器人动力学方程的解析解很难得到,因此本文通过优化算法求解6-DOF绳索牵引并联机器人的非线性逆动力学方程。为了保证数值解能够充分接近真实解,将绳索直线模型得到的机器人的逆动力学解作为优化算法的初始值进行迭代。最后对两种模型的动力学结果进行对比,验证了当绳索的重量影响较大时,采用绳索悬链线模型建立并联机器人动力学模型是必要的。第三,当绳索牵引并联机器人的运动速度和加速度较大时,绳索的静力学模型不能满足建模精度要求,此时需要考虑绳索的动力学行为对机器人动力学模型的影响。为此,本文采用有限元法建立绳索的动力学模型。通过忽略绳索的横向振动,采用多个杆单元来模拟绳索的模型。仿真实验的结果表明绳索的动力学行为会引起绳索牵引并联机器人末端执行器的振动。第四,针对文中所给出的6-DOF欠约束并联机器人的动力学模型,文中将分别采用计算力矩控制器和PD控制器对该机器人进行动力学控制。仿真过程中,采用龙格库塔法求解绳索牵引并联机器人的正动力学。轨迹跟踪控制的仿真结果表明,采用包含动力学反馈补偿的计算力矩控制器比使用PD控制能够获得更好的控制效果。
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