一种索杆混联机器人动力学分析与力/位控制研究

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索杆混联机器人是在传统刚性连杆机器人的基础上发展而来,用质量轻、直径小的柔性绳索取代部分大质量的刚性杆。本文主要对索杆混联机器人的动力学与力/位控制进行研究。在运动学的基础上,对机构动力学进行分析并建立模型,为机构控制策略及力/位控制奠定基础。根据机构自身的运动特性,设计适用于该机构的力/位控制方案,并对其进行实验验证。首先,详细介绍索杆混联机器人的机械结构,在Solidworks三维建模软件中搭建机构完整模型。运用矢量封闭原理对机构运动学进行分析,建立绳索长度变化数学模型,分析并求解绳索长度变化速度与末端动平台运动之间的数学关系。在Matlab软件中对求得的绳索长度以及长度变化速度公式进行编程仿真,验证运动学的有效性。其次,对索杆混联机器人运用Lagrange方程法建立动力学模型,推导机构系统动力学方程。搭建ADAMS虚拟样机,选取末端动平台的不同运动角度进行动力学仿真,并与Matlab软件中求解得到的数值进行对比,验证所建动力学方程的正确性,为机构的力/位控制和系统搭建奠定基础。再次,对索杆混联机器人的力/位混合控制策略进行详细研究,建立机构运动控制方案,分别对力控制器和位置控制器进行设计,整定控制器的核心参数。根据机构运动控制方案,在Matlab软件中搭建Simulink仿真模块,以预设运动轨迹进行仿真控制,得到机构力值变化曲线,为索杆混联机器人力/位控制实验奠定基础。最后,样机搭建与实验。对索杆混联机器人所需硬件进行选型,通过对比不同硬件型号,完成硬件选型及搭建。在软件环境中编写控制程序,设计控制器操作界面。综合硬件与软件系统,进行机构力/位控制实验,通过机构的传感器系统测得运动过程中力值数据,将数据导入Matlab软件中绘制力值变化曲线。通过与仿真模型得到的力曲线进行对比分析,验证机构力/位控制实验的有效性。
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