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《南京航空航天大学》 2018年
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绳驱动机器人的系统设计及运动控制研究

徐伟  
【摘要】:传统工业机器人由于精度高、速度快、效率高等优点,使其在制造、装配、物流、医疗被广泛应用,但是也存在以下不足:臂身质量体积大、转动惯量高、负载自重比小、缺乏柔顺性等,使得机器人在服务、医疗等人机交互安全性要求较高的场所使用受限。本文设计了一种负载自重比高,人机交互安全性好的四自由度绳驱动机械臂。首先,设计一种采用绳索驱动的四自由度串联机械臂。关节驱动电机被后置于基座,利用绳索传递运动和力,减小臂身自重和关节惯量,提高负载自重比。通过对绳索传动方式选择、绳索传动和张紧装置的设计及伺服电气系统的搭建,完成了试验样机研制,样机运行状况正常良好。其次,针对绳索耦合问题,分析并推导了平面多关节绳驱动耦合关系,建立了驱动空间-关节空间-笛卡尔空间的运动映射;提出了绳驱动关节耦合运动下的姿态不变约束条件。结合绳驱动机器人的结构及运动特点,完成了两类不同自由度的机械臂运动学建模。同时,从工作空间、速度雅可比、全域性指标等方面对四自由度绳驱动机器人的运动学性能展开评价。然后,针对绳驱动机器人结构模型参数不精确、绳索传动模型复杂等因素,建立了一种基于时延估计的非线性控制技术。提出了基于延估计技术的PD控制器及具有参数自整定的模糊控制器;利用Simulink/SimMechanics的多体分析模块,建立了绳驱动机器人的控制仿真模型;仿真结果证明基于时延估计技术的控制策略具有对系统模型依赖小,控制鲁棒性强等优点,该控制方法是有效和可靠的。最终,基于Qt5/C++完成系统上位机软件设计,具有运动轨迹规划、数据采集分析、伺服控制器通讯及系统状态监测等功能,具有良好的人机交互作用;基于Simulink Real-Time模块搭建了实时控制试验平台,完成了对控制算法的试验对比分析,进一步说明了基于时延估计控制策略的有效性。末章,对本论文的主要研究内容和结论进行了简单总结,并对绳驱动机器人后续设计研发作了展望。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2018
【分类号】:TP242

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