并联机器人控制系统关键技术研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 苏婷婷
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| 答辩日期 | 2018-05-28 |
| 授予单位 | 中国科学院研究生院 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 王云宽 |
| 关键词 | 高速并联机器人 机器人运动学 机器人动力学 轨迹规划 跟踪控制 |
| 英文摘要 | 随着我国经济的高速发展，我国机器人需求和销量迅猛增长，但我国机器人渗透率远低于发达国家，因此机器人行业前景广阔。其中，高速Delta并联机器人具有运动速度快、定位精确、成本低、效率高等优点，被广泛应用于医药分装、食品包装和电子产品等工业自动化生产或包装流水线的快速分拣、抓取、装配中。而国内的并联机器人起步晚，竞争力较薄弱，目前我国高速高精度Delta并联机器人系统主要依赖于国外的先进技术，因此加快Delta并联机器人关键技术研究及其产业化，能有效提高我国工业自动化水平，打破国外品牌的垄断地位及技术封锁，有利于并联机器人关键技术突破及国产化，强化基础制造装备竞争力。 本文围绕Delta并联机器人运动学及动力学建模、轨迹规划、系统控制算法、高速实时工业以太网等关键技术进行了深入研究，完成的主要工作及创新点如下： (1) 针对Delta并联机器人的机械结构，计算得到其工作空间，并分析求解了运动学模型，包括Delta 机器人位置模型、速度模型、加速度模型。然后，利用虚功原理建立了Delta机器人的动力学模型。 (2) 针对Delta并联机器人难以在运动环境下有效分拣动态目标的问题，提出了基于费拉里法的Delta并联机器人动态目标抓取算法。首先介绍了修正梯形运动规律和3-4-5次多项式运动规律，之后对拾放操作进行了轨迹规划，并对轨迹的不同情况进行了分析。然后分别对不同运动规律下的运动环境中的目标抓取问题建立数学模型，针对该模型，提出了基于费拉里法的Delta并联机器人动态目标抓取算法来确定抓取点位置，实现了动态目标的准确快速抓取。算法测试与实验结果表明该算法能精准地计算抓取位置，速度快，能满足实时性要求，且不需设置初值，使用便捷。在此基础上，通过对两类工件的轨迹规划模型进行分析，提出了多类工件的轨迹规划算法。首先确定要排序的工件，然后再通过动态抓取算法计算拾取点位置。最后通过实验验证了上述算法的稳定性和有效性。 (3) 针对Delta并联机器人高速作业下笛卡儿空间轨迹不平滑的问题，提出一种基于毕达哥拉斯速端曲线（PH曲线）的轨迹规划方法。首先，在笛卡儿空间中利用PH曲线平滑竖直运动与水平运动间的直角过渡部分，确定拾放操作轨迹；然后，利用多项式运动规律对轨迹的一维曲线位移进行规划，确定运动轨迹插补点的位置；最后，以最小化拾放操作周期为目标优化PH曲线参数，得到平滑的运动轨迹。仿真和实验结果表明，该方法下的拾放操作具有较短的运动周期，轨迹平滑且具有良好的运动特性，实现了并联机器人的高速作业。 (4) 为了实现机器人的轨迹跟踪控制，提出了一种基于Delta机器人动力学模型的滑模控制方法。在给定了并联机器人期望运动轨迹后，采用滑模控制方法设计控制器，并通过求解并联机构的动力学反问题得到期望轨迹所需要的力/力矩，然后控制各主动关节的驱动装置输出相应的力矩，从而使并联平台按照期望轨迹运动。针对期望轨迹位置点数不够的情况，对轨迹生成的实现方法进行了介绍。仿真实验证明了该方法的有效性。 (5) 设计了Delta机器人控制系统，包括硬件结构和软件设计。在此基础上，针对Delta并联机器人的高速运行的需求，将EtherCAT工业以太网应用于该系统，设计了基于EtherCAT总线的Delta机器人系统，包括EtherCAT从站和主站的设计。在Delta机器人系统实验平台上，完成了基于拾放操作的高速分拣实验。 |
| 源URL | [http://ir.ia.ac.cn/handle/173211/21474]  |
| 专题 | 毕业生_博士学位论文 |
| 作者单位 | 中国科学院大学 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 苏婷婷. 并联机器人控制系统关键技术研究[D]. 北京. 中国科学院研究生院. 2018. |
入库方式： OAI收割
来源：自动化研究所
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