3-RPS并联机器人动力学分析及控制

运用牛顿—欧拉方法建立3-RPS并联机器人机构的逆动力学模型。通过使用Simmechanics将并联机器人物理模型导入Matlab/Simulink中,利用Simulink对机构进行动力学仿真以及验证机构的逆动力学模型。针对并联机器人的建模不确定性,提出一种基于不确定性系统的鲁棒控制方案,即分别通过基于标称模型设计系统的计算力矩控制器,来镇定标称系统;通过构建Lyapunov函数来构建系统的鲁棒补偿控制器,来消除由于建模不确定性引起的跟踪误差。通过将控制模型导入Simulink中对其控制效果进行验证,其具有较低的稳态误差精度,效果优于计算力矩控制策略。     

新型并串联复合机器人KED研究

提出一种由3自由度平动并联机构和放大机构组成的新型并串联复合机器人.从柔性多体系统动力学角度出发,分析了机器人的动力学模型,建立了其动力学方程.运用KED的解题方法,对机器人进行了运动弹性动力学分析,得到了符合实际情况的计算结果.     

基于SDRE控制的双臂空间机器人轨迹优化跟踪

针对自由漂浮双臂空间机器人惯性参数未知的问题,提出了一种基于状态依赖Riccati方程的两级优化控制方法。首先,基于扩展机械臂方法建立双臂空间机器人自由漂浮状态下的关节空间动力学模型;而后将标称状态变量和实际状态变量作为标称动力学方程的反馈输入量,借助增广变量法,分别得到空间机器人关于关节角度和角速度的类线性标称状态方程和实际状态方程;根据标称状态方程设计离线标称SDRE控制器,并建立其与实际状态方程的误差模型;由此进一步设计在线补偿SDRE控制器补偿标称控制器的跟踪误差。SDRE稳定性引理保证了所设计控制器的渐进稳定性;数值仿真结果验证所提控制方法的有效性。     

新型并串联复合机器人KED研究

提出一种由3自由度平动并联机构和放大机构组成的新型并串联复合机器人。从柔性多体系统动力学角度出发，分析了机器人的动力学模型，建立了其动力学方程。运用KED的解题方法，对机器人进行了运动弹性动力学分析，得到了符合实际情况的计算结果。     

4-SPS(PS)并联机构模糊自适应滑模控制系统设计

针对并联机构传统控制方式轨迹跟踪精度误差较大的缺陷,提出了一种基于4-SPS(PS)并联机构的动力学方程和模糊自适应(Fuzzy-Adaptive SMC)滑模控制器的控制系统。首先,基于螺旋理论及反螺旋理论,设计了一种4-SPS(PS)并联机构,并采用微运动法(Micro-Motion Method)对机构的运动学方程进行了探讨。其次,基于机构的动力学方程,结合模糊自适应算法,设计了一种新型滑模控制器(SMC),模糊自适应算法的作用是实时地修正系统的不确定和非线性项参数,有效抑制了SMC系统的抖振现象。最后,建立了机构的系统仿真框图和实验平台,分别对机构进行仿真分析和实验研究。结果表明:模糊自适应滑模变结构控制器的轨迹跟踪精度高,鲁棒性强,稳态误差小,从而验证了该新型SMC控制器的有效性。     

混合驱动柔索并联机器人的设计与分析

为了使柔索并联机器人高效率、大负载、高性能的运动输出,根据并联机器人机构结构综合理论,设计一种新型混合驱动柔索并联机器人机构,给出机构虚拟样机模型,该机构通过混合驱动平面五连杆并联机构驱动柔索牵引末端执行器完成期望轨迹跟踪运动。基于牛顿—欧拉方法,建立混合驱动柔索并联机器人系统的动力学方程,结合实例进行力学分析和数值仿真。结果表明,混合驱动柔索并联机器人机构设计合理,数学模型正确,为混合驱动柔索并联机器人物理样机设计制造和控制系统的设计提供了理论依据。     

制孔末端执行器同步控制与误差分析

基于并联机构的航空末端执行器在制孔的过程中,保证其运动控制精度是十分重要的,由于并联机构中存在多条运动支链,因此需要考虑它们的耦合关系和运动协调能力。以改进的3RRR并联机构作为研究对象,进行其驱动关节的同步控制研究。首先根据3个驱动关节转角建立动力学方程,并考虑到各个支链间存在耦合约束力,基于一种各个驱动关节同步控制器,将跟踪误差和同步误差的均方根作为性能指标,对改进3RRR并联机构进行控制实验。在实验中将增广比例微分（PD）控制器与驱动关节同步控制器进行对比,验证了驱动关节同步控制器的有效性,证明了考虑支链间协调性的控制器对改善并联机构的运动精度具有重要作用。     

混合驱动柔索并联机器人自适应迭代学习控制

以一种兼容混合驱动机构与柔索并联机构特点的新型混合驱动柔索并联机器人为研究对象,对其动力学建模及轨迹跟踪控制进行了研究;应用Lagrange方法建立了混合驱动柔索并联机器人系统的动力学模型;针对具有非线性、时变特性以及带有可重复时变干扰的混合驱动柔索并联机器人动态系统模型,设计了一种控制增益随迭代次数变化的自适应迭代学习控制策略,并采用Lyapunov函数证明了该控制器的稳定性;数值仿真结果表明,在该控制器的作用下,混合驱动柔索并联机器人控制系统能够完成高精度跟踪期望轨迹,进一步验证了所建系统动态模型的正确性及控制策略的有效性。     

平面3自由度并联机器人的动力学设计

从动力学角度分析一种平面3自由度并联机器人的设计问题.首先,基于Lagrange方程导出此平面3自由度并联机器人的动力学方程.然后,基于系统动力学方程提出机构参数设计的三点措施.例如,可以通过在系统中添加适当的平衡质量消除动力学方程中重力项和大部分耦合项的影响.采取这些措施对提高并联机器人系统的动态特性、易控性,以及增强系统运行的稳定性和精度等都具有重要作用.最后,通过算例验证这些措施在降低驱动力矩和减少系统能耗方面的可行性和效果.这些内容可为进一步研究此并联机器人的动力学特性、优化设计和控制等提供指导.采用的方法对其他多自由度多连杆机构的动力学分析和动力学设计具有重要的借鉴意义.     

一种6自由度柔索并联机器人的动力学研究

采用串联约束 /并联驱动的原理 ,通过加入约束机构 ,设计一种新型柔索驱动并联机器人。然而由于约束机构的引入 ,机器人的动力学分析变得更为复杂。在对机器人进行运动学分析的基础上 ,利用牛顿 欧拉法建立机器人动力学方程。仿真结果证明了该方法的有效性     

Robust control of a 3-DOF hybrid robot manipulator

This paper introduces a 3-DOF hybrid robotic manipulator which is constructed by combining a parallel mechanism and a pantograph to increase the high stiffness, as well the as workspace. We analyze its kinematics and dynamics by applying Lagrange’s method. Subsequently, we propose a robust tracking controller based on the Lyapunov approach for the manipulator in the presence of uncertainty. The scheme consists of two parts. The first part is the model-based computed torque controller, which is used to stabilize the nominal robot system. The second part is a robust compensating controller, which is designed to handle the uncertainty in the system. We propose a controller designed in Cartesian coordinates. The proposed controller guarantees practical stability.     

积分切换面自适应滑模控制及其在并联机器人中的应用

针对交流伺服电机作为驱动装置的2-DOF并联机器人,设计出一种带有积分切换面的自适应滑模控制器。首先,带有积分运算切换面的变结构控制器使系统具有对未知参数变化和外部干扰不敏感的特性。其次,通过设计一种自适应律,实现对系统不确定量的在线辨识估计,以辨识结果实时调整控制器参数,以削弱系统抖动,提高了控制系统的实用性。仿真结果表明所设计控制器抗干扰能力强,能较好地实现2-DOF并联机器人各支路的运动控制,具有较好的稳定性和鲁棒性能。     

Linear quadratic optimal controller for cable-driven parallel robots

In recent years, various cable-driven parallel robots have been investigated for their advantages, such as low structural weight, high acceleration, and large workspace, over serial and conventional parallel systems. However, the use of cables lowers the stiffness of these robots, which in turn may decrease motion accuracy. A linear quadratic (LQ) optimal controller can provide all the states of a system for the feedback, such as position and velocity. Thus, the application of such an optimal controller in cable-driven parallel robots can result in more efficient and accurate motion compared to the performance of classical controllers such as the proportional-integral-derivative controller. This paper presents an approach to apply the LQ optimal controller on cable-driven parallel robots. To employ the optimal control theory, the static and dynamic modeling of a 3-DOF planar cable-driven parallel robot (Feriba-3) is developed. The synthesis of the LQ optimal control is described, and the significant experimental results are presented and discussed.     

Tricept机械手静刚度解析建模方法

以Tricept机械手的3自由度球坐标型并联机构为例,提出含恰约束支链的球坐标型并联构型装备静刚度解析建模方法。该方法首先借助子结构综合思想将末端执行器位姿变形分解为无约束主动支链的拉压变形、恰约束支链的弯曲变形及其扭转变形3个部分,然后利用虚功原理和结构矩阵法建立各子结构系统的静柔度模型,最后借助线性叠加原理组集整机末端静柔度模型。在建模过程中,侧重研究恰约束支链弯曲刚度以及铰链刚度的建模方法。在此基础上,考察了Tricept机械手中3自由度并联机构静刚度在工作空间中的变化规律,并借助全局性能指标评价了主要构件柔度对整机柔度的贡献。     

State-of-the-art on theories and applications of cable-driven parallel robots

Cable-driven parallel robot (CDPR) is a type of high-performance robot that integrates cable-driven kinematic chains and parallel mechanism theory. It inherits the high dynamics and heavy load capacities of the parallel mechanism and significantly improves the workspace, cost and energy efficiency simultaneously. As a result, CDPRs have had irreplaceable roles in industrial and technological fields, such as astronomy, aerospace, logistics, simulators, and rehabilitation. CDPRs follow the cutting-edge trend of rigid–flexible fusion, reflect advanced lightweight design concepts, and have become a frontier topic in robotics research. This paper summarizes the kernel theories and developments of CDPRs, covering configuration design, cable-force distribution, workspace and stiffness, performance evaluation, optimization, and motion control. Kinematic modeling, workspace analysis, and cable-force solution are illustrated. Stiffness and dynamic modeling methods are discussed. To further promote the development, researchers should strengthen the investigation in configuration innovation, rapid calculation of workspace, performance evaluation, stiffness control, and rigid–flexible coupling dynamics. In addition, engineering problems such as cable materials, reliability design, and a unified control framework require attention.     

新型过约束球面并联式关节机构仿生设计

以3-RRR三自由度球面并联机构为原型,在其静力学及刚度特性分析基础之上,从仿生学角度出发,采用植入中心球面副的方式,提出了两种改进的可应用于人形机器人肩关节、髋关节的过约束四支链仿生关节机构,并实现了静力全部或部分卸载及刚度均衡。对引入的机构中心球面副进行结构改进,大幅扩大了机构实际工作空间。新型仿生关节机构的提出及其结构设计对人形机器人关节的研制具有理论指导意义和实际应用价值。     

新型四足步行机器人串并混联腿的运动学分析

针对串联四足机器人行走惯量大,自重/载重比大的问题,提出一种新型串并混联四足步行机器人,并对该机器人的串并混联腿进行运动学分析。该机器人由一个运载平台和四条结构相同的串并混联腿组成,每条腿均由髋关节、大腿、小腿顺次连接构成,其中髋关节为3-RRR并联机构。以能耗最小姿态为最优姿态,基于矢量法求解了该串并混联腿的运动学正解和反解,利用MATLAB和ADAMS软件验证了正解和反解的正确性;基于矢量法和微分变换法求出了该混联腿的速度雅克比矩阵和加速度矩阵,分析了其奇异性,并利用MATLAB软件绘制出该腿的工作空间。结果表明:该腿在髋关节连杆直径d=22mm,大腿杆件直径D=50mm,膝关节转角θ4∈[105°,155°]时,工作空间呈球冠形,最大内接圆半径R=400mm,高度为H∈[500mm,900mm]。本研究对该新型串并混联四足步行机器人的刚度分析、动态性能、机构优化设计和系统控制等的进一步研究具有重要意义。     

基于自由度分配和方位特征集的混联机器人机型设计方法及应用

混联机器人机构兼有并联机构刚度好、定位精确及串联机构工作空间大、控制解耦性好等两方面的综合性能及优点,其设计的关键是基于操作器方位特征集的串(并)联自由度数目和顺序分配、组合方式及新型少自由度并联机构模块的构造及其性能评价.提出基于自由度分配和方位特征集的混联机器人机型设计方法,提出单点作业、多点协同作业二类混联机器人的定义、符号表示方法并分析其优缺点;给出按这二类作业方式设计3～5自由度混联机器人分别可能构造出的全部结构组合方案、设计原则和步骤;据此,创新设计出多种新颖结构的混联机器人机构实例,并研制单喷枪、三喷枪协同二款五轴混联高速喷涂机器人,比较这二种结构的性能优劣.研究为混联机器人机构的机型设计提供了一种一般性方法,为复杂先进装备的创新研制提供了机构设计的基础.     

基于遗传算法3-RCR并联机器人的结构参数优化设计

确定机器人机构结构参数是并联机构优化设计的难题,因为并联机器人的机构结构参数优化属于多维,多目标和多约束条件优化问题。基于3-RCR并联机构的工作空间体积,分析了机构结构参数对工作空间体积的影响。运用坐标变换法对机构的位置反解进行求解;利用极坐标边界搜索法通过具体算例确定了机构的工作空间及其边界,以工作空间为目标利用遗传算法对机构进行了结构参数优化,获得了性能优良的结构参数,运用MATLAB软件编程得到了该并联机构的工作空间图谱。为该类并联机构的进一步研究和推广应用奠定了基础。