【摘 要】
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直线电机具有直驱特性和“零驱动”模式,能够很好的克服传统直线伺服系统在精度和迟滞方面的不足。本文基于三个直线电机模组耦合驱动,在传统并联机器人结构基础上重新设计构建了一种3-PSS并联机器人。由于直线电机的直驱特性和并联机器人部分结构的改变,本文需要重新对运动学、动力学模型进行求导,为消除高速重载情况下直线电机带来的扰动和非线性,基于动力学微分方程设计新的控制策略,然后对3-PSS直线电机并联机器
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直线电机具有直驱特性和“零驱动”模式,能够很好的克服传统直线伺服系统在精度和迟滞方面的不足。本文基于三个直线电机模组耦合驱动,在传统并联机器人结构基础上重新设计构建了一种3-PSS并联机器人。由于直线电机的直驱特性和并联机器人部分结构的改变,本文需要重新对运动学、动力学模型进行求导,为消除高速重载情况下直线电机带来的扰动和非线性,基于动力学微分方程设计新的控制策略,然后对3-PSS直线电机并联机器人进行仿真和样机实验研究。本文研究内容包括:1)基于直线电机设计一种新的3-PSS并联机器人并使用Solidworks软件建立3D模型,基于旋量理论求解运动学,推导雅可比矩阵,获得速度模型,通过Matlab软件结合解析法和蒙特卡洛法求解可达工作空间。随后基于运动学模型对机器人动力学进行分析,求解各关节广义主动力和广义惯性力,最终获得直线电机3-PSS并联机器人的动力学Kane方程。2)针对3-PSS直线电机并联机器人的在高速、重载下抗扰动能力弱,稳定性差的特点,基于动力学微分方程设计了一种基于深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient)的非线性非奇异快速Terminal滑模控制器。使用深度确定性策略梯度对非线性非奇异快速Terminal滑模控制器中的非线性不确定性进行逼近,提高跟踪控制精度和抗干扰能力。利用Lyapunov函数验证控制系统的稳定性和收敛性,结合DDPG算法自适应调节控制器参数,保证在质量变化、摩擦因素、外部干扰和建模不确定性等各种环境下的稳定性和鲁棒性。对提出的控制器使用Simulink仿真验证可行性,并与传统Terminal滑模控制、非奇异Terminal滑模控制和基于RBF(Radial Basis Function)神经网络的滑模控制效果进行比较,结论证明本文设计的控制策略具有非奇异性,有限时间收敛性,快速瞬态响应,低稳态误差和高位置跟踪等优点,并且有效抑制不确定性的系统运动过程中的抖振问题,并提高运动精度和抗干扰能力。3)建立Matlab、ADAMS和Ansys联合仿真。验证运动学、动力学模型的正确性和基于DDPG的非线性非奇异快速Terminal滑模控制器的有效性。在以上基础上对并联机器人做静力学仿真和负载、精度验证可行性。通过样机验证测试,样机能够满足所设计参数的要求,并对本文工作进行总结,对未来进行展望。
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