一种四索并联机器人的动力学建模和控制策略

来源 :中国民航大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:denny322
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目前对于大型建筑物侧壁的清洁方案主要有人工悬吊擦洗、贴壁擦洗机器人和有轨擦洗等方式,这些清洁方式速度慢,功率大,成本高,人身安全系数低,为了改善这些缺点,本文研究了一种危险系数低、速度和效率高、成本低廉的平面擦洗四索机器人,并针对该机器人展开了运动学,动力学和控制策略的研究。首先对柔索并联机器人进行了位移,速度和加速度的分析,分析了绳索和滑轮的动态特性,通过矢量封闭法建立了机器人的运动学逆解模型。根据实际应用提出两种用于平面擦洗的柔索并联机器人结构,在Adams中将柔索离散化处理,建立仿真模型,根据求得的电机逆解,在Adams中使用ode45求解器对两种结构进行仿真,结果表明立式滑轮结构要优于卧式滑轮结构。根据刚度的基本定义建立系统的固有刚度矩阵与可控刚度矩阵,将固有刚度和可控刚度联合得到系统的总体刚度矩阵,并通过零空间原理提出一种基于刚度矩阵的柔索张力优化方法。考虑电机的转动惯量、粘性摩擦和库伦摩擦等阻尼建立了驱动系统的动力学模型,并通过牛顿-欧拉法得到动平台的动力学模型,从而得到系统的总体动力学方程。根据所建立的总体动力学方程进行仿真,仿真过程中用龙格库塔法求解微分方程,通过高斯消元法求解结构矩阵的伪逆并通过建立的张力优化方法得到柔索实际张力,结果表明所采用的简化动力学模型与Admas中仿真结果相符合,可以准确描述系统动力学特性。将动力学模型分解为线性回归矩阵和自适应参数,根据等速趋近律选取滑模面,基于滑模控制理论建立控制律,通过李雅普洛夫第二法分析了系统的稳定性,通过提出的张力优化方法建立系统的力控制律,得到系统动力学和张力控制器。Simulink仿真结果表明提出的控制策略能够良好的实现轨迹跟踪并提升动平台的刚度性能。针对立式滑轮结构的平面四索并联机器人进行运动学逆解和动力学模型的实验,根据传统标定法对相机进行标定,得到相机的内参矩阵,通过相机的内参矩阵将图像像素坐标转化为世界物理坐标,实验结果表明运动学和动力学实验结果与模型基本一致。
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