高速并聯(lián)機器人：建模優(yōu)化、運動控制與工程化應用

前言

第1章 高速并聯(lián)機器人的研究關鍵 1
1.1 并聯(lián)機器人技術的背景及研究的目的和意義 1
1.2 剛性并聯(lián)機器人動力學建模研究現(xiàn)狀 3
1.3 考慮桿件柔性的機器人動力學建模 4
1.3.1 柔性桿件建模 4
1.3.2 動力學模型逼近 5
1.3.3 考慮桿件柔性的并聯(lián)機器人剛柔耦合動力學建模 6
1.4 機器人優(yōu)化設計 7
1.4.1 機構優(yōu)化設計 7
1.4.2 驅(qū)動與傳動部件優(yōu)化 8
1.4.3 集成優(yōu)化設計 8
1.5 考慮部件柔性的機器人軌跡規(guī)劃 8
1.5.1 間接法 9
1.5.2 直接法 9
1.6 考慮部件柔性的機器人控制 10
1.6.1 基于奇異攝動及積分流形的復合控制 10
1.6.2 滑模變結構控制 11
1.6.3 基于智能材料與智能結構的主動控制 12
1.6.4 輸入整形 13
1.7 關鍵技術問題 14

第2章 高速并聯(lián)機器人剛體動力學建模 16
2.1 引言 16
2.2 3RRR并聯(lián)機器人剛體運動學與動力學 16
2.2.1 3RRR并聯(lián)機器人運動學 16
2.2.2 基于牛頓-歐拉法的3RRR并聯(lián)機器人動力學建模 19
2.3 2PUR-PSR并聯(lián)機構運動學與動力學建模 21
2.3.1 2PUR-PSR并聯(lián)機構運動學建模 21
2.3.2 2PUR-PSR并聯(lián)機構動力學建模 26
2.3.3 2PUR-PSR并聯(lián)機構的動力學特性分析 32
2.3.4 機構動態(tài)響應與性能的仿真研究 33
2.4 本章小結 37

第3章 高速并聯(lián)機器人剛柔耦合動力學建模 38
3.1 引言 38
3.2 考慮邊界效應的柔性桿件曲率有限元建模 38
3.3 基于凱恩方程的高速并聯(lián)機器人剛柔耦合動力學建模 42
3.3.1 剛柔耦合運動關系建模 42
3.3.2 廣義坐標 44
3.3.3 偏速度與偏角速度 44
3.3.4 廣義慣性力 48
3.3.5 廣義主動力 50
3.3.6 動力學方程的建立 51
3.4 剛柔耦合動力學模型驗證 53
3.4.1 模態(tài)分析 53
3.4.2 加速度響應分析 55
3.5 本章小結 57

第4章 高速輕型并聯(lián)機器人集成優(yōu)化設計 58
4.1 引言 58
4.2 集成優(yōu)化設計方法 58
4.3 集成優(yōu)化設計指標 59
4.3.1 運動學與動力學指標 59
4.3.2 驅(qū)動與傳動系統(tǒng)性能 64
4.3.3 控制系統(tǒng)性能 67
4.4 優(yōu)化模型 68
4.5 優(yōu)化算法及結果 69
4.5.1 優(yōu)化算法 69
4.5.2 優(yōu)化結果 69
4.6 本章小結 74

第5章 高速并聯(lián)機器人運動規(guī)劃與優(yōu)化 75
5.1 引言 75
5.2 并聯(lián)機器人平滑運動規(guī)劃算法 75
5.2.1 空間直線平滑運動規(guī)劃 75
5.2.2 空間圓弧運動規(guī)劃算法 77
5.2.3 基于三次樣條曲線的空間多點運動規(guī)劃 78
5.2.4 運動規(guī)劃仿真分析 80
5.3 基于多模態(tài)輸入整形與PSO的殘余振動抑制 84
5.3.1 輸入整形振動抑制原理與多模態(tài)整形器 84
5.3.2 基于PSO的多模態(tài)整形器位置優(yōu)化 86
5.4 基于分段偽譜法的點到點軌跡優(yōu)化 88
5.4.1 點到點軌跡優(yōu)化模型建立 88
5.4.2 基于分段偽譜法的點到點軌跡優(yōu)化 90
5.5 基于分段偽譜法與多模態(tài)輸入整形的點到點軌跡優(yōu)化 92
5.6 本章小結 95

第6章 高速并聯(lián)機器人的軌跡跟蹤控制 96
6.1 引言 96
6.2 不考慮柔性的并聯(lián)機器人軌跡跟蹤控制算法 96
6.2.1 基于反饋線性化的軌跡跟蹤控制 96
6.2.2 基于UDE的軌跡跟蹤控制 97
6.3 基于積分流型與觀測器的3RRR并聯(lián)機器人軌跡跟蹤控制 102
6.3.1 基于積分流形的模型降階 102
6.3.2 復合控制算法設計 105
6.3.3 基于反演算法的慢速子系統(tǒng)控制 105
6.3.4 基于滑模變結構的快速子系統(tǒng)控制 109
6.3.5 曲率變化率高增益觀測器設計 110
6.3.6 系統(tǒng)穩(wěn)定性證明 112
6.3.7 算法仿真 113
6.4 本章小結 118

第7章 性能測試與實驗驗證 120
7.1 引言 120
7.2 實驗系統(tǒng)構建 120
7.3 重復定位精度測試 121
7.4 動力學模型驗證 123
7.4.1 模態(tài)測試 124
7.4.2 加速度響應測試 128
7.5 軌跡優(yōu)化驗證 128
7.5.1 基于多模態(tài)輸入整形與PSO的殘余振動抑制實驗 129
7.5.2 基于分段偽譜法與多模態(tài)輸入整形的軌跡優(yōu)化實驗 130
7.6 本章小結 131
結論 133

附錄 135
附錄A 理論模型與ABAQUS軟件分析振型圖 135
附錄B 2PUR-PSR并聯(lián)機構部分公式 137
參考文獻 139