Stewart并联机构的柔顺控制策略研究

作     者：高颀骁 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔玉鑫

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：并联机构 动力学 柔顺控制 自适应控制 阻抗控制 

摘      要：并联机构作为工业机器人的一个重要分支,广泛应用于航空航天、物流分拣、医疗器械等领域。Stewart并联机构作为并联机器人的代表之一,拥有定位精度高、结构刚度强、动态响应好等优点。随着对机器人技术的深入研究和智能制造领域的强劲需求,传统的基于位置控制的机器人运动控制策略已经不能满足诸如柔顺装配、表面抛光等复杂任务的柔顺要求。同时,对于人机协作、示教操作等由未知物理环境引起的接触问题,需要机器人具有稳定可靠的自适应与柔顺控制能力。本文针对此类问题,设计了Stewart并联机构的自适应导纳控制系统并搭建实验平台,完成系统的仿真和实验,主要工作如下: (1)研究分析国内外目前对于并联机构的运动学与动力学建模方法和机器人的柔顺控制技术,对于Stewart并联机构于未知物理环境下柔性对接的目标,提出了自适应导纳控制策略。 (2)完成Stewart并联机构的运动学建模和仿真验证。首先确定姿态的z-yx欧拉角旋转方式,推导旋转矩阵和角速度公式;然后通过雅可比矩阵建立运动学模型,并探讨正运动学的数值求解过程;接着在Matlab/Simscape中建立虚拟样机;最后经跟踪特定轨迹,比较末端执行器的位姿误差验证运动学模型的准确性。 (3)建立了并联机构的动力学模型,并基于拉格朗日方程第二形式构建封闭式动力学表达式,以便于后续控制结构的设计。使用牛顿-欧拉法建立各构件的动力学模型,通过支路末端相互作用力联系运动平台和支路的动力学方程。令虚拟样机跟踪指定轨迹,对比位姿的跟踪误差验证动力学模型的精确性。 (3)提出一种自适应导纳控制策略,通过导纳控制修正自适应控制生成的参考轨迹。详细介绍阻抗控制和导纳控制方法,例证各控制参数对系统动态特性的影响;通过自适应控制算法应对环境参数的不确定性,建立环境动力学模型,结合导纳控制算法使并联机构既实现未知环境下跟踪期望接触力轨迹,又实现指定的柔顺性能,并基于Lyapunov第二方法证明控制策略的稳定性;设计一系列仿真实验,验证了算法的有效性。 (4)搭建Stewart实物并联平台,使用Matlab/App Designer设计上位机通讯软件,进行并联机构的管道柔顺对接测试,对提出的自适应导纳控制策略进行实验验证,并对实验数据进行分析总结。本文提供一种在未知环境下并联机构柔顺装配的控制策略,实现了预期任务目标。