6-RSS并联机器人动力学与控制研究

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并联机器人响应快、精度高与稳定性好的性能有利于开展精密工件的装配研究。并且随着实际生产需求的提高,近年来各国开始青睐于高速、轻质量的并联机器人。然而,在并联机器人的实际运行过程中,高速与轻质容易导致并联机器人的支链产生弹性变形,进而导致系统产生不确定性的弹性振动。同时,各构件的制造误差和磨损误差会导致并联机器人的运动副失去原有的精度。这些不确定性误差严重影响了并联机器人的动态性能。其中支链弹性变形和运动副间隙误差相互影响,进一步加剧了系统性能的衰退。开展基于并联机器人弹性动力学模型的运动副间隙耦合分析有利于提高系统动力学模型的精度,降低控制系统的复杂程度。因此,本文以6-RSS并联机器人为研究对象,综合分析了运动副间隙与弹性变形引起的误差,并基于分析结果建立控制系统,提高了6-RSS并联机器人的运行精度和稳定性。具体研究工作如下所示:首先,建立6-RSS并联机器人的运动学模型,搭建虚拟样机开展运动学仿真,将其结果与数值分析结果对比分析,验证并联机器人模型的正确性与合理性。随后将6-RSS并联机器人系统拆分为动平台子系统、驱动臂子系统以及从动臂子系统,将运动学分析与虚功原理结合建立各个子系统的刚体动力学模型。利用矢量相加获得系统的刚体动力学模型,并通过虚拟样机与理论模型完成系统的动力学分析。其次,基于6-RSS并联机器人的各个子系统,利用Newton-Euler方程、Lagrange方程以及有限元理论,建立各个子系统的动力学模型。基于运动学约束方程和动平台子系统的动力学模型将各支链子系统的弹性动力学模型结合,创建系统的弹性动力学模型。基于模型开展仿真分析探究弹性变形对并联机器人动态特性的影响。然后,通过数值统计原理与随机函数建立系统中各个运动副的间隙模型,计算各个支链的虚拟杆长。分析存在运动副间隙时各个运动副处的碰撞接触力,将其与虚拟杆长结合到系统的弹性动力学模型中,建立含运动副间隙的6-RSS并联机器人动力学模型。之后通过数值分析,研究运动副间隙对系统动态特性的影响;将其结果与支链弹性变形的结果对比,综合分析运动副间隙与支链弹性变形间的耦合关系以及两者对系统动态特性的影响。最后,结合含运动副间隙的系统弹性动力学模型,分别建立模糊PID控制系统、遗传算法(GA)优化的模糊PID控制系统以及多种群遗传算法(MPGA)优化的模糊PID控制系统。通过数值仿真,对比三种控制系统下动平台加速度误差的变化情况,选择合适的控制系统提高6-RSS并联机器人的运行精度与稳定性。
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