3-CRU并联机器人的精度标定与轨迹跟踪控制方法研究

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并联机器人具有刚度大、重复运动精度高、承载能力强、末端件惯性小等特点。然而,在基于运动学模型规划机器人的运动轨迹时,制造公差,安装误差以及连杆偏差等误差的存在会严重降低并联机器人末端的运动精度。同时,并联机器人控制系统总会受到诸如库仑力、摩擦力等外界随机干扰的影响从而导致机器人末端的实际运动轨迹无法精确跟踪期望运动轨迹。因此,为了提高并联机器人末端的运动精度,并使得末端的实际运动轨迹能够精确跟踪期望运动轨迹,本文以3-C(cylindrical joint)R(revolute joint)U(universal joint)并联机器人为对象,基于其运动学模型提出了基于末端误差检测信息子集的精度标定方法,基于拉格朗日法建立了动力学模型并完成了动力学参数辨识,在此基础上提出了基于PD+鲁棒控制算法的轨迹跟踪控制方法。本文针对3-CRU并联机器人提出了基于末端误差检测信息子集的精度标定方法。整个过程分四步进行:1)分析影响机器人末端精度的误差源,建立机器人运动学模型并基于矩阵法建立了3-CRU并联机器人的误差模型,分离出待辨识的结构误差;2)利用激光跟踪仪测量末端部分位姿误差组成末端误差检测信息子集;3)根据最小参数线性组合定理确定影响机器人位姿精度的最少结构误差线性组合,基于末端误差检测信息子集对结构参数误差进行辨识;4)利用辨识结果对末端位置进行补偿。建立3-CRU并联机器人的完整动力学模型以了解其动态特性,包括动力学方程的构建和动力学参数辨识。基于拉格朗日法建立了并联机器人的基本动力学方程,结合摩擦模型得到完整动力学模型并对其进行线性化处理,使用多级傅里叶级数轨迹作为激励轨迹,在得到实际运动过程中每个驱动关节输出的力矩后,基于最小二乘法辨识动力学参数的具体值。以提高3-CRU并联机器人末端运动轨迹跟踪精度为目的,在其完整动力学模型的基础上提出了一种基于PD+鲁棒控制算法的轨迹跟踪控制方法,并在理论上分析了PD控制稳定性的条件并证明了鲁棒控制算法能够保证并联机器人的跟踪误差一致终值有界且能够有效地抑制干扰。本文最后从3-CRU并联机器人精度标定、动力学参数辨识和轨迹跟踪控制方法等三个方面展开相关实验。实验首先对3-CRU并联机器人样机进行精度标定,使3-CRU并联机器人样机末端运动精度明显提高;接着,通过动力学参数辨识得到并联机器人样机的完整动力学模型,并对动力学模型的可靠性进行实验验证;最后,对3-CRU并联机器人样机进行基于PD+鲁棒控制算法的轨迹跟踪控制实验,实验结果证明了该方法的有效性和可靠性。
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