一种三自由度柔性并联机器人的振动控制研究

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柔性机器人振动的抑制能减少机器人在高速运动时产生的变形、振动和噪声,提高机器人的定位精度和运动轨迹精度,减少操作时间,提高工作效率,避免机构运动性能下降和疲劳破坏,目前已经在航空航天、制造加工、微机电结构和医学治疗设备等领域得到广泛的应用。本文以一种带有3个柔性连接杆的三自由度(3-DOF)并联机器人为研究对象,详细分析了机器人高速运动时连接杆的变形和振动特性,对如何抑制机器人柔性连接杆的振动进行了系统的研究。表述了这种3-DOF并联机器人的结构和控制系统,建立了系统固定坐标系和运动坐标系,以运动学反解为基础建立了运动学方程,使用假设模态法和弯曲振动法建立了动力学方程,并通过ANSYS进行了模态分析,通过实验和仿真获得了共振频率和阻尼比,并分析了共振模态。表达了PZT智能材料的特性和基本控制原理,介绍了基于PZT传感器和驱动器的直接输出反馈动态振动控制法和独立模态空间动态振动控制法。分析了系统振动模态的复合特性,以及如何选择模态控制器的控制增益值。开发了一种在线测量模态坐标和模态速度的过滤器,提出了一种有效的多模态振动控制策略。建立了一套基于LabVIEW Rea1-Time的即时实验系统,构造了3-DOF并联机器人前两阶模态的振动控制方法。实验结果表明独立模态空间控制法和两模态振动控制法能有效抑制机器人的振动。介绍了单模态和多模态的正脉冲输入整形与基于时间优化的单模态负脉冲输入整形法的基本原理,提出了基于时间优化的多模态负脉冲输入整形的原理和构造方法。以零振动、零振动与零导数、极不灵敏输入整形器为基础,建立了3-DOF并联机器人的单模态、两模态的正脉冲和负脉冲输入整形器,分析了各种整形器的抑振能力、灵敏度和输出响应的时间延迟。分析结果表明输入整形法能有效抑制机器人的残余振动,负脉冲输入整形器能减少系统响应的时间延迟,多模态输入整形器能有效抑制机器人多个模态的振动。分析了3-DOF并联机器人在PZT振动控制时的运动轨迹误差,并与无振动控制时的运动轨迹误差对比;使用可靠性方法对机器人的运动轨迹精度进行了分析;实验结果表明PZT振动控制能提高机器人的运动轨迹精度。
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