Control of a 3-RRR Planar Parallel Robot Using Fractional Order PID Controller

3-RRR planar parallel robots are utilized for solving precise material-handling problems in industrial automation applications.Thus,robust and stable control is required to deliver high accuracy in comparison to the state of the art.The operation of the mechanism is achieved based on three revolute(3-RRR)joints which are geometrically designed using an open-loop spatial robotic platform.The inverse kinematic model of the system is derived and analyzed by using the geometric structure with three revolute joints.The main variables in our design are the platform base positions,the geometry of the joint angles,and links of the 3-RRR planar parallel robot.These variables are calcula ted based on Cayley-Menger determinants and bilateration to det ermine the final position of the platform when moving and placing objects.Additionally,a proposed fractional order proportional integral derivative(FOPID)is optimized using the bat optimization algorithm to control the path tracking of the center of the 3-RRR planar parallel robot.The design is compared with the state of the art and simulated using the Matlab environment to validate the effectiveness of the proposed controller.Furthermore,real-time implementation has been tested to prove that the design performance is practical.

平面并联机器人离线PID控制优化研究

为了使平面并联机器人在闭环控制系统中具有更稳定的控制性能。对此,这里构建了平面五杆并联机器人动力学模型及其控制系统模型,给出了控制系统的增益矢量p。对机器人系统模型进行离线PID控制优化,通过控制增益来设计控制系统中的增益矢量p,从而实现非线性单目标动态优化(NLMODOP)。在NLMODOP中加入动态约束,采用带约束处理机制的差分进化(DE)算法求解平面并联机器人的非线性规划问题,进而处理不稳定的动态优化。对机器人模型中的五个连杆进行仿真实验,并对有无DE算法控制的仿真结果进行了比较。结果表明:相比于无DE算法,采用DE算法下的机器人系统模型的连杆跟踪位移基本无跟踪误差。说明基于差分进化算法的平面并联机器人离线PID控制优化具有较好的控制精度和跟踪性能。

三自由度并联机器人的轨迹跟踪滑模控制

为了提高并联机器人在有干扰或者模型不确定情况下的工作性能,本文设计了一种模糊自适应滑模控制方法,并将其应用于平面3-PRR并联机器人的轨迹跟踪控制中。首先,采用解析法对机器人进行了运动学分析,并基于虚功原理法建立了其动力学模型;其次,改进了滑模趋近率以提高误差收敛速度,同时利用滑模变量设计了模糊控制器,动态调节滑模控制自适应项的增益,以消除抖振并提高控制精度。最后利用Simulink对同一轨迹进行了仿真实验,并应用不同的控制方法进行了比较。仿真结果表明,所提控制方法在不同的干扰下,轨迹跟踪误差更小,抗干扰能力更强,对于三自由度平面并联机器人的位置控制非常有效。

基于CPG的并联腿四足机器人步态控制

并联腿结构的四足机器人具有承载能力强、刚度大、运动精度高的优点,但控制复杂。为更好地控制,提出了一种串联结构等效方法对并联腿进行了分析,结合中枢模式发生器(CPG)对等效的髋、膝关节进行控制,从而实现四足机器人不同步态,并利用ADAMS与MATLAB/SIMULINK软件搭建了四足机器人的虚拟样机与控制系统。仿真实验结果表明,串联等效分析方法能够应用于并联腿结构,CPG可实现四足机器人的Walk与Trot步态,验证了该方法的可行性与有效性。

高速高精度平面并联机器人模糊自调整PID控制方法的研究

针对推力波动、负载变化等非线性因素对高速高精度平面并联机器人系统稳定时间的影响 ,本文设计了一种新颖的模糊自调整PID控制器 :系统的位置偏差较大时 ,采用PI控制器 ,保证系统的平滑、稳定 ;当系统发出停止命令后 ,引入模糊增益参数自调整机构 ,加快静差消除 .模糊增益参数调整机构采用“一维输入 -二维输出”的推理结构 ,消除了参数调整中的“耦合影响” ;为缩短整定时间 ,减少整定参数的数量 ,不同增益 ,误差E的模糊论域划分各不相同 .经实验验证 :引入该模糊自校正PID控制器后 。

鲜肉分拣夹持器的机构优化

针对生鲜肉生产企业、大型超市的实际需求,基于并联机器人、机器视觉等先进技术,构建面向小块鲜肉分装的机器人系统。结合机器人分装的实际要求和鲜肉的特点,确定了鲜肉夹持器的设计方案,建立了夹持器的机构优化设计模型,利用Matlab对机构尺寸进行优化,实现鲜肉夹持器的优化设计,并完成试验研究。

3-RRR柔性平面并联机器人自激振动控制

对平面3自由度并联机器人进行了运动学建模和运动控制研究。在平台运动过程中,对柔性杆上压电陶瓷的振动进行实时采样,获取振动信号的情形和主要模态。在高速运动到目标点时,由于柔性杆弹性变形过大导致存储能量过高,使得残余振动可能转化为自激振动。由于平台存在建模误差,摩擦,间隙,机电耦合等非线性因素,无末端传感器,采用非线性算法半闭环反馈控制。在特定的区域,通过获取伺服电机编码器位置值并与所需脉冲值进行比较,应用非线性PD算法进行同向补偿实验,控制伺服电机的摆动,从而有效地抑制住了平台自激振动。

一种新型平面并联机器人机构及其解耦控制

结合同时考虑机构设计和控制策略的思想 ,提出一种新型的可应用于微电子封装与组装行业中的两自由度平面并联机器人机构 ,其具有高刚度、高速度、高精度的特点。对机构进行了运动学、动力学分析和基于加速度反馈的解耦控制研究。

平面5R并联机器人约束误差影响分析

少自由度并联机器人中的过约束构型,具有结构简单、刚度大的优点,但其依赖运动副轴线间的特殊几何约束关系,如平行、垂直、汇交于一点等,来实现预期的动平台自由度。此类机构有对几何约束条件敏感的缺点,约束误差的存在将对机构产生一系列不良影响。基于此,以平面5R并联机器人为对象,在分析其过约束特性基础上,研究运动副轴线几何约束误差导致的回路封闭变形协调条件。应用矩阵力法计算强制装配引起的机构附加内力以及连杆的变形,从而分析动平台的寄生运动以及机构的应变能波动。对一种具体的5R并联机器人进行仿真分析,计算结果揭示了过约束机构对运动副轴线几何约束误差的敏感性以及约束误差与过约束共同作用下对并联机器人性能的影响机理。

五自由度混联机器人优化设计与运动学分析

为提高农业自动化程度,拓宽并联机构在农业工程领域的应用,提出一种存在连续转轴、关节数目少、易于控制的两移一转运动冗余平面并联机构,该并联机构任意位置的转轴均为相互平行的连续转轴,使其具备良好的灵活性。基于此平面并联机构,构造出了多种五自由度混联机器人,首先建立了五自由度混联机器人的运动学模型,并对其进行了奇异分析,给出了减少机构奇异位型的条件;然后基于灵活性指标,对并联机构进行了尺寸优化,绘制了用于选取结构尺寸的性能图谱,且借助有限元软件对基于优化所得结构尺寸绘制的具有运动冗余特性的平面机构进行了结构拓扑优化,,完成了整体结构优化前后的静力学分析与对比,结果显示优化前后整体变形仅增大0.51%,优化前后机构优化部分的质量减少33.02%,满足机构变形要求。该混联机器人具有结构简单、运动学模型简单、结构刚度高和模块化程度高的特点,且其结构的变胞性有助于实现机构运动和驱动冗余模式的切换,增强了机器人的可研究性。该文可为混联机器人运动学分析及优化设计提供参考。

四足仿生机器人混联腿构型设计及比较

四足仿生机器人一直是机器人领域研究的热点之一。对国内外的研究现状和代表样机进行综述,总结现有四足机器人的腿构型的优缺点。混联腿构型结合了并联机构和串联机构的优点,可在提高机器人载重/自重比的同时,满足快速稳定响应的需求,从而实现高速、低能耗、高承载的运动。提出三种不同的3自由度混联腿机构,由1自由度的四杆机构和2自由度的平面并联机构串联组成。建立3种混联腿的运动学模型。根据四足机器人的行走设计需求,总结三种混联腿机构的特点,并建立其各自的工作空间模型。基于对角小跑的轨迹,分析三种混联结构在空间上的承载能力和各向同性度。通过对比分析选择第三种混联腿作为最优选项,并进一步与经典串联腿进行驱动力矩比较,证实混联腿的优越性。通过样机负重行走试验验证结果的可靠性,为四足混联腿机构机器人的后续研究奠定理论基础。

平面3-■RR刚柔耦合并联机器人逆动力学研究

以平面3-RRR刚柔耦合并联机器人为研究对象,研究了其逆动力学模型和数值迭代求解算法。以绝对节点坐标法描述并联机器人中的柔性梁单元,并以自然坐标法描述其他刚性构件,基于拉格朗日原理构建了刚柔耦合系统的逆动力学模型。采用了缩减积分的方法来分割应变能以规避泊松闭锁问题,应用不变矩阵来提高求解运算速度。以S-型加减速圆周轨迹为算例,结合generalized-Alpha法与牛顿迭代法来求解并联机器人的逆动力学模型。试验迭代结果满足设定精度要求,所求柔性梁中点处最大横向变形为4.701 mm,其剪切角的变化规律具有对称性,驱动关节角速度与理想刚性模型相比变化明显,驱动关节变量的变化规律比较平滑,由此验证了建模方法、求解算法的正确性和使用S-型加减速的必要性,对将来控制具有重要的理论意义。

平面3-RRR柔性并联机器人残余振动主动控制

对平面3-RRR柔性并联机器人残余振动主动控制问题进行了研究。基于有限元法和拉格朗日方程,建立了带压电陶瓷制动器和传感器的智能梁单元的运动方程。考虑刚体运动和弹性变形运动的约束关系,通过组装,形成了3-RRR柔性并联机器人系统的运动学方程,基于模态理论把物理空间下描述的高阶运动方程变换到模态空间下的低阶模态方程。根据导出的低阶模态方程,设计了应变速度反馈控制器和最优状态反馈控制器,数值仿真结果表明:两种控制器都能有效地抑制系统的残余振动。同时,相对于应变速度反馈控制,最优状态反馈控制能以更低的控制输入电压取得更好的控制效果。

平面3-RRR并联机构的自激振动实验研究

从平面3-RRR并联机构的位形和关节驱动两方面,研究了位形的奇异性和驱动电机的伺服增益对机器人自激振动现象的影响.首先建立了平面3-RRR并联机构的运动约束方程,求导得到速度约束方程和加速度约束方程,给出位置、速度、加速度的正、逆解,利用速度雅可比矩阵分析奇异特性;然后搭建了实验系统,分析驱动电机的控制原理,分别测试在奇异位形和非奇异位形的自激振动,通过传感器测试驱动关节的位移、速度和加速度,并进行正解得到动平台的位置和加速度,正解得到的加速度与动平台实测加速度吻合较好;最后通过调整驱动电机的伺服增益避免了非奇异位形处的自激振动.

平面3自由度柔性铰链并联机器人的平衡构形

研究一个平面3自由度柔性铰链并联机器人的平均构形问题。通过逆静力分析得出了一个4变量耦合的三角函数超越方程组,讨论了并联机器人的初始装配构形,基于牛顿迭代法提出了一个数值算法,无需选取初值可求出三角函数超越方程组在指定区间内的全部实数解,得到了柔性铰链并联机器人的所有初始装配构形和在外载荷作用下的平衡构形。最后给出了数值实例。

高速平面并联机器人动态分析与实验

基于弹性动力学和实验对高速轻型平面并联机器人的动态响应进行研究。首先,根据机构的几何和惯性非线性建立机构运动微分方程组,对机构的两个典型位形的动态响应进行分析;其次,建立了由3-RRR轻型并联机构和控制系统组成的实验装置,对理论分析进行了验证。结果表明,在位形2,理论分析和实验一致,即机构的残余振动很快衰减;在位形1,理论分析与实验两者不同,实验测量的动态响应为自激振动,而数值仿真得到衰减的残余振动。同时,结果也表明机构在不同位形有不同的动态响应。

一种平面微型并联机器人机构的尺度设计

讨论了一种微型并联机器人机构的设计方法,该微型并联机器人机构类型是采用传统副连接的平面五杆机构。这种设计目的是把对相对运动有更大自由性的传统副连接的优点应用在微小机械中,以实现有较高精度的同时,还具有相对较大的工作范围、复杂的运动规律,但整个机构却有相对更简单的结构、更低的制造成本,以满足在某些应用场合下对精度要求相对较低的情况下的需要。文中最后以一具体设计示例来检验该种方法的可行性。

新型六自由度钢带并联机器人的机构设计

为了克服传统并联机器人存在的一些共性问题,进一步拓宽并联机器人的应用领域,提出了一种新型的六自由度钢带并联机器人机构形式,介绍了钢带并联机器人结构和工作原理,阐述了钢带运动副、卷筒装置、复合球铰的结构设计与实现,分析了钢带并联机器人的功能特点、存在问题与应用前景。研究结果表明,弯曲圆弧截面的钢带运动副可使钢带并联机器人具有一定的承压能力,因此钢带并联机器人兼具杆支撑并联机构和绳牵引并联机构的一些特点,具有广泛的应用前景。

液压驱动缩放支链的并联式滚动机器人

提出一种新型三自由度并联式滚动机器人。该机器人以大变形、强力输出、快速响应和运动灵活为目标,构型上采用提出的新型并联机构为本体以保证机构整体刚度,设计上应用平面缩放支链作为伸缩比放大机构以获得大变形能力,驱动上利用液压执行元件作为伸缩驱动输入以增强滚动机器人运动的灵活性与力量输出。其翻滚运动是通过合理规划与控制机器人质心与支撑区域之间关系而实现。对该机器人构型进行描述,并规划其翻滚运动步态,给出最优运动规则;基于此运动规则建立其运动学模型,并以算例验证了模型正确性;结合运动过程步态规划进行两个翻滚周期运动可行性的理论分析;搭建一套试验系统平台,包括液压系统与试验样机系统,开展四个滚动步态试验;样机试验结果表明了试验样机系统是可靠的且具备快速响应能力,验证了翻滚运动理论分析的正确性以及翻滚运动过程的可行性。

3-PPR并联伺服平台非线性同步鲁棒控制

3-PPR并联伺服平台由3个伺服电机协同驱动,实现平面位姿的精密调整。针对各轴运动不协同而导致轨迹精度降低的问题,基于平台的运动学分析和动力学模型,引入虚拟电机的概念,定义了平台的非线性同步误差,设计了一种非线性同步鲁棒控制器,使三轴的跟踪误差和同步误差均能渐进收敛。仿真和实验结果表明,采用该控制策略可以提高各轴的非线性同步性能,有效提高系统协同性,平台位置轨迹跟踪误差小于0.1 mm,满足3-PPR并联伺服平台在实际应用过程中的控制需求。