绳索驱动并联机器人的设计、抑振分析与实验研究

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绳索驱动并联机器人是以绳索为传动元件,将驱动器的运动和力传递到末端执行器的新型并联结构机器人,它既具有并联机构高负载能力和良好动力学特性,又继承了绳索驱动工作空间大的优点,拥有良好的应用场景。本文设计了一款绳索驱动并联机器人,并主要对其进行了末端执行器的抑振控制和实验研究,主要完成的工作如下:首先,根据绳索驱动并联机构的结构特点和设计需求,设计了一款运动稳定、精度高、工作空间大的模块化绳索驱动并联机器人,进行了相关标准零件的选型工作,并在其三维模型的基础上进行了运动学逆解分析,是本文理论建模、仿真分析及实验研究的基础。其次,进行了磁流变阻尼器的力学实验,得到了弹簧阻尼系统的力学模型。对绳索驱动并联机器人机构进行了刚性动力学分析,得到了系统的刚性动力学模型。对绳索弹性进行了分析,得到了绳索的振动特性,将其考虑到系统刚性动力学模型中,进而建立了系统的弹性动力学模型。为后续抑振控制器的设计和末端执行器的振动仿真奠定了理论基础。再次,由力学分析可知末端执行器的运动是规划运动、绳索自由振动以及绳索弹性伸长引起的位姿变化的叠加,故为提高运动精度并有效抑制振动,分别设计了PID控制和模糊滑模变结构控制两种抑振控制器,并对其控制性能进行了仿真分析和对比。仿真结果表明了两种控制器均能起到一定抑制振动的作用,并且模糊滑模变结构控制器的抑振效果更优。最后,搭建了绳索驱动并联机器人性能实验平台,分别开展了样机标定实验、逆运动学验证实验、弹簧阻尼系统力学模型验证实验和振动控制实验。对比两种控制器的振动抑制效果,实验验证了模糊滑模变结构控制器抑振效果的优越性与高效性。
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