基于3-RRR并联机器人的轨迹算法与控制研究

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随着国内工业和经济的发展,并联机器人技术日益成熟。相比串联机器人负载轻、存在累积误差的缺陷,并联机器人因其高速加工、无累积误差、重负载等特性被广泛应用于生产线分拣、装配及车床等加工工况。国内对并联机器人的研究较晚,整体技术尚未达到世界顶级水平,为缩小并联机器人与国外在工业领域上的差距,加强对国内并联机器人核心技术的研发显得尤为重要。轨迹规划作为并联机器人的底层算法,研究其原理及在控制系统上的实现对促进国内并联机器人的发展有着积极的意义。本课题以3-RRR平面并联机构为对象对其展开研究,论文主要开展内容如下:(1)运动学、动力学模型的建立。运用螺旋理论、几何杆长约束、拉格朗日方程等理论知识对3-RRR并联机器人的自由度、运动学及动力学模型进行了分析。(2)轨迹规划算法的研究。研究了常用的轨迹规划算法,在此基础上,设计了笛卡尔空间下的三次B样条轨迹算法,并对相邻曲线段间的圆弧和三次准均匀B样条过渡算法进行了研究。为简化硬件系统的轨迹插补运算,在七段S型加减速曲线的基础上设计了一种非对称五段S型加减速算法,该算法减小了程序的运算量、简化了速度规划策略,增强了算法的实时性。(3)加工路径规划算法研究。为减少机器人加工耗时、耗能问题,本文在轨迹规划和动力学分析基础上,提出一种基于关节空间角度变化加权和的数学模型。并设计了一种带有精英策略和信息挥发因子自适应调节函数的改进蚁群算法对加工路径进行优化,验证了算法的可行性。(4)3-RRR并联机器人硬件平台方案设计。采用DSP+CPLD为硬件平台方案搭建了3-RRR并联机器人的简易控制系统,并进行硬件电路及程序设计。其中DSP模块负责轨迹规划的粗插补运算,CPLD模块负责接收粗插补信号以完成细插补运算。(5)实验仿真验证。在MATLAB上编写了3-RRR并联机器人GUI仿真程序对轨迹算法进行仿真,验证了非对称五段S型加减速在实现轨迹速度平滑和加速度连续功能的有效性。最后对DSP和CPLD模块分别进行了硬件仿真实验,并对搭建的3-RRR并联机器人平台进行了点位测试,验证了硬件平台方案的有效性,为后续研究奠定基础。
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