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高速并联机械手臂最优控制策略研究

刘锋  
【摘要】:本文针对两自由度并联机械手关节之间耦合力以及高速运行时动力学模型不准确和在往复式运行过程中产生跃度过大引起的抖动问题,对本课题中机械手臂分别设计了自抗扰非线性控制器和基于滑模自适应力矩前馈补偿的非线性控制器,在此基础上建立了整个机器人系统加入柔性关节的机电耦合系统参数化模型,并对所设计的控制算法和所规划出的轨迹进行了仿真验证。对并联机器人在操作空间中的运行轨迹做了基于遗传算法求优的三次样条插值,最后规划出了机器人操作空间轨迹,完成了实验系统的搭建、控制系统软件编程以及实验验证。 第一,论文针对机械手实际控制过程中一般的比例-微分(PD)控制策略所引起的机器人关键位置跟踪精度不高、超调过大的缺点,设计了自抗扰控制算法,解决了超调和关节位置精度跟踪问题。 第二,根据机器人在往复式的搬运和分拣操纵过程中的高速性要求,结合了系统动力学方程的不确定性,设计出滑模自适应控制算法,解决了机械手臂高速运行下的精度跟踪问题。并且针对电机电流噪声过大的缺点,设计了自适应kalman滤波算法,并且针对电机的动力学模型建立了自适应Kalman算法辨识出机械手臂广义力。 第三,结合SimMechanics工具箱,建立了整个机器人系统的机电耦合系统的参数化的刚体动力学模型,对所设计的控制算法进行了分析和验证。 第四,由于整个机器人系统在高速运行时,机械部分抖动大,而且电机输出的速度和加速度以及力矩和功率的特性,建立了轨迹规划的目标函数,并且加入了动力学和运动学作为其约束条件,采用了遗传算法对其进行优化计算,最终采用三次样条曲线规划出机器人关节空间的轨迹,并在所建立的机电耦合系统的参数化模型上进行了试验。 第五,完成了控制系统平台搭建,该平台采用德州仪器公司(TI)的DSPTMS320F28335完成控制算法的计算和位置环的调节,由驱动器完成速度环和电流环的运算。 该论文有图54幅,表2个,参考文献65篇。


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