6-PTRT型并联机器人的自适应动态滑模运动控制研究

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并联机器人以其刚度大、结构紧凑、承载能力强、结构抗震性好和运动惯量小等优点,在应用上与串联机器人形成互补,扩大了机器人的应用领域。目前,并联机器人在机构学、运动学、动力学、控制策略等方面的研究均得到国内外相关学者的关注和重视。   并联机器人从控制角度而言是一种高度非线性、强耦合、时变的复杂系统,运动控制中存在参数不确定性、未建模动态以及外部干扰等,采用常规控制策略往往难以获得理想控制效果。变结构滑模控制不需要建立被控对象的精确数学模型,对系统参数摄动、外部干扰、系统不确定性等具有很强的鲁棒性,且实现简单,较适合用于并联机器人控制。但基于等效控制设计的常规滑模控制,不仅存在抖振问题,而且由于实际忽略了执行机构及传感器的快变动力学特性等,因此会降低系统的控制品质,严重时甚至导致控制系统的不稳定。为此,本文以6-PTlRT型并联机器人为研究对象,进行了一种动态滑模控制方法的设计。另外,由于滑模控制方法的优良特性依赖于对并联机器人所受外部干扰的先验估计,一旦外部干扰超出滑模控制设计上限,其控制效果将恶化。基于此,本文提出一种新型自适应动态滑模控制方法,即在动态滑模变结构控制设计的基础上进一步引入自适应控制对并联机器人的外部干扰等不确定因素进行在线估计,以克服滑模控制性能需依赖于对未知干扰的先验估计的局限,增强并联机器人克服强烈干扰的能力,进一步提高其控制性能。本文的研究,对促进并联机器人控制理论和技术的发展,推进并联机器人实际应用的进程具有一定意义。   本文首先分析了所研究并联机器人并联机构的结构及运动原理;针对该并联机构的特点进行了运动学分析,推导出其位置反解、速度反解模型;其次,结合本文采用的运动轨迹二级插补策略,分析了笛卡尔空间运动轨迹规划与关节空间插补算法,得到了各支路的期望运动轨迹,为实现并联机器人的运动控制奠定基础;然后,详尽分析了工控机、运动控制器PMAC、伺服控制系统、位置检测元件、电气控制装置等关键部件的选型,完成6-PTRT型并联机器人的硬件系统设计;接着,综合考虑6-PTRT型并联机器人系统的特点,在采用分散滑模控制形式的前提下,建立了控制系统被控对象数学模型,并针对其控制特点设计了新型自适应动态滑模控制器,完成了轨迹跟踪控制仿真以及与常规滑模控制器仿真结果的比较分析;最后,采用任务分级处理软件结构形式,利用VC++设计完成并联机器人系统控制软件,对人机界面模块,通信模块,轨迹规划模块和运动子程序模块等关键模块的软件设计进行了详细分析,并进行了圆弧运动轨迹跟踪控制试验。仿真与试验结果表明,采用自适应动态滑模控制方法,不仅可解决常规滑模控制的抖振问题,而且使并联机器人控制系统对外部干扰具有较强的鲁棒性和良好的轨迹跟踪性能。
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