并联机器人模型及控制策略研究

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并联机器人具有刚度大、承载能力高、精度高和结构紧凑等特点。随着经济的高速发展,并联机器人伴随着其独特的优势在工业、医疗和军事等领域的应用越来越多。特别是将机器人技术应用于医疗康复领域,已成为国内外机器人领域研究的一个热点。目前,并联机器人机构学分析比较成熟,但是针对医疗康复所用的六自由度并联机器人动力学模型及其运动控制策略研究有待深入。本课题结合国际合作项目“多自由度下肢骨骼复位手术与康复训练机器人研究”,将六自由度并联机器人技术与康复医疗相结合,研究并联机器人运动控制策略,可使患者下肢进行科学有效的康复训练,使患者下肢的运动机能得到更好的恢复。本文的主要研究工作包括以下四个部分:(1)对并联机器人的运动学进行了分析,特别是对其运动学逆解进行了详细的阐述,即根据给定的六自由度并联机器人运动位置和姿态,而确定各驱动杆件的时实运动长度。并结合MATLAB软件进行了六自由度并联机器人运动学仿真。(2)对并联机器人进行了动力学建模并分析。利用拉格朗日方法推导并建立了六自由度并联机器人的动力学方程,并对其动力学模型进行了优化处理以适应并联机器人位姿闭环控制策略。并利用ADAMS软件对并联机器人动力学模型进行了仿真。(3)对并联机器人进行了PID控制策略的研究。结合六自由度并联机器人动力学模型的特点,提出了适合于医疗康复机器人的不完全微分PID控制策略,并在六自由度并联机器人样机上对PID控制算法进行了实验验证。(4)结合医疗康复的需要,本文提出了模糊自适应整定PID控制算法。结合ADAMS和MATLAB软件进行了并联机器人控制系统的联合仿真,并在六自由度并联机器人样机上进行了模糊自适应PID控制算法的实验验证。实验结果表明模糊自适应PID算法能够充分发挥PID控制器和模糊控制器的优点,在并联机器人速度的跟踪上,不仅响应快,而且超调量小,稳态误差小。
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