基于动力学的并联机器人的轨迹规划

论文摘要

因为能够代替人在很多危险恶劣的环境下工作,机器人已经有了非常广泛的工业应用。串联机器人能满足很多类型工作的要求并且在工业中占有很大的比重。但是因为并联机器人具有结构刚度大,承载能力强,运动精度高以及位置逆解简单等许多串联机器人所没有的优点,近年来成为机器人研究的主要热点之一。只是因为并联机器人动力学特性一直没有完全开发影响了它大有前途的应用性。轨迹规划对机器人高效,稳定的运行有重要的影响,通过轨迹规划使机器人运动平滑,平稳,减少冲击和振动,提高机器人的稳定性,可靠性,工作效率有重要意义。一般来说,机器人轨迹规划的控制算法可以分成两段,即,轨迹规划和轨迹跟踪。这种方法在为了减少机器人动力学的耦合性和复杂性方面有很广泛的应用。而现在多数的轨迹规划没有考虑机器人的动力学特性。本论文以实验室的三自由度并联机器人为研究对象,深入研究了基于动力学的并联机器人的轨迹规划方法,比较了最小时间,加加速度,和三次多项式三种轨迹规划方法的性能指标。试验结果表明,基于动力学的最小时间规划具有最小的运行时间,但是却牺牲了跟踪精度;加加速度规划因为曲线高阶导数连续的特性具有最好的跟踪精度,运行时间却是最长的;传统的三次多项式规划运行时间和跟踪精度都是介于两者之间,没有突出的优异性。在论文中使用Matlab软件对三种方法进行仿真,并在试验平台上验证了轨迹规划得到的曲线,是用c语言编写实现机器人的实际控制。三种轨迹规划方法都用了基于模型的力矩控制算法,它的稳定性也在文中被证明。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• ACKNOWLEDGEMENTS
• LIST OF TABLES
• LIST OF FIGURES
• CHAPTER1 INTRODUCTION
• 1.1 Background
• 1.2 Literature review on trajectory planning
• 1.3 Thesis outline
• CHAPTER 2 MATHEMATICAL MODELING OF THE PARALLEL MANIPULATOR
• 2.1 Rigid kinematics of the parallel robot
• 2.2 Kinematic Analysis
• 2.2.1 Forward Kinematics and Inverse Kinematics
• 2.2.2 Manipulator Jacobian
• 2.3 Dynamics Analysis
• 2.3.1 Model Transformation
• CHAPTER 3 KINEMATIC CONTROL OF THE PARALLEL MANIPULATOR
• 3.1 Velocity Control Based Trajectory Following
• 3.2 Experimental Results
• CHAPTER 4 TRAJECTORY PLANNING FOR ROBOTIC MANIPULATORS
• 4.1 Minimum-Time Control with Geometric Path Constraints
• 4.1.1 Parameterized Robot Dynamics with Input Torque Constraints
• 4.1.2 Formulation of optimal control problem
• 4.1.3 Determination of optimal trajectories
• 4.1.4 Simulation
• 4.2 Jerk-Bound Manipulator Trajectory Planning
• 4.2.1 Simulation
• 4.3 Cubic polynomial for Trajectory Planning
• 4.3.1 Simulation
• 4.4 Summary
• CHAPTER 5 CONTROL OF PARALLEL MANIPULATORS
• 5.1 Position Control and Trajectory Tracking
• 5.2 Introduction
• 5.2.1 PD Control Scheme
• 5.2.2 Computed torque control
• CHAPTER 6 EXPERIMENTS AND RESULTS
• 6.1 Testing trajectory
• 6.2 Control Algorithms
• 6.3 Experimental Results
• 6.4 Discussion
• 6.5 Summary
• CONCLUSION
• APPENDIX
• REFERENCES