Tripod并联机器人运动学分析及运动控制研究

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随着人口红利的减少,劳动力成本的增加,为提高产品质量和生产效率,工业机器人得到广泛应用。并联机器人具有高动态响应性、高刚度、高精度的优点,广泛用于食品、轻工和电子产品等行业,完成自动化分拣、抓取和包装等重复性操作。本文以运动控制为主线,从运动学分析、轨迹规划、电控系统和控制策略等方面对Tripod并联机器人进行研究。首先,在机构分析和自由度求解的基础上,建立坐标系,采用矢量代数法和数值法求解运动学位置逆解和位置正解;基于运动学方程,采用微分变换法,求解雅克比矩阵;基于运动学位置逆解的极限边界搜索法对机器人的可达工作空间进行简要分析。其次,对机器人轨迹规划理论进行深入研究,针对Tripod机器人的典型抓取作业,采用修正梯形加速度规律分别在笛卡尔直角空间和关节轴空间进行轨迹规划,求取轨迹函数,为运动控制提供轨迹依据。然后,基于Ke Motion专业控制器完成了物理样机的电控系统设计,搭建了运动性能试验平台;提出了基于PC的开放式电控系统设计方案,采用倍福的PC控制器和Ether CAT总线伺服完成硬件架构,基于Twin CAT3软件和运动学模型构建了整个软件控制框架。接着,基于运动学模型的控制策略,将Tripod并联机器人控制系统简化为三条运动支链的单输入单输出子系统,在传统PID控制器的基础上,进行模糊PI控制器设计和仿真分析。最后,采用ADAMS软件对虚拟样机进行运动学仿真,验证了运动学性能和运动学模型;与MATLAB软件联合仿真,验证了修正梯形加速度规律轨迹规划的可行性、位置逆解的正确性和模糊PI控制算法的优越性;对Ke Motion控制器的物理样机进行运动性能测试和重复定位精度测试,结果表明:Tripod并联机器人本体具有良好的运动性能,y、z向重复定位精度满足±0.1mm的要求,x向在高速时略有超出。
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