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一种轻型高速并联机械手的设计与仿真研究

胡峰  
【摘要】:随着机器人技术的快速发展,并联机械手的应用领域越来越广,已成为当今机器人领域新的研究热点。针对并联机械手机构比传统串联机械手更复杂的问题,在电子科技大学学生机器人研究基金的支持下,本文以一种轻型高速的三自由度Delta并联机械手为例,在完成其运动学与奇异性分析的基础上,应用联合仿真技术对并联机械手进行了静动态特性的有限元分析以及控制策略的研究与分析。 首先,本文分析了三自由度并联机械手机构的工作原理,并对其进行了运动学分析。其中,通过解析法获得了机械手运动学逆解,并由几何法求得了其运动学正解。另外,还讨论了该并联机械手可能发生的奇异位形。 其次,本文完成了该并联机械手静动态特性的有限元分析。采用联合仿真技术,实现了Pro/E与ANSYS之间的数据交换接口,建立了并联机械手的有限元分析模型,并对其分别进行了静刚度与模态分析。通过静刚度分析,研究轻型高速并联机械手不同位姿与机构性能的关系,发现末端执行器越偏离中心而靠近工作空间边界,其机构的各项性能也越差;通过模态分析,研究了轻型高速并联机械手的前6阶振型,观察发现其振型集中表现在从动臂上。接着,提出了增加从动臂上的虚约束、适当增大从动臂的截面尺寸、选择低密度高强度的复合材料等方法来优化从动臂结构设计,避免并联机械手高速运动过程中发生振动与变形。 然后,本文在充分研究SimMechanics工具箱中的基本模块及机械系统框图模型构造方法的基础上,联合Pro/E软件,并借助SimMechanics Link接口工具,建立了并联机械手的SimMechanics框图模型,并基于此模型对该并联机械手进行了运动学以及动力学仿真分析。 最后,本文基于不同控制策略对该并联机械手进行了研究,实现了形象直观的虚拟现实联合仿真平台。在确定并联机械手的控制任务进后,设计了PID控制器与模糊PID控制器,并分别采用这两种控制策略,实现了并联机械手的空间螺旋曲线轨迹的跟踪仿真。同时,根据轨迹跟踪误差的均方根值,对比分析了这两个控制器的性能,表明基于模糊PID的自适应控制方法更能满足并联机械手这种多输入多输出强耦合非线性系统的控制需求。


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