三自由度并联机器人动力学建模与PID控制方法设计开题报告

1. 研究目的与意义

并联构型装备已成为制造业目前的研究热点之一。与串联构型相比, 并联构型具有刚度好、精度高、高速和高加速度等特点, 众多研究机构和制造企业都看好其在制造领域的应用前景。目前多种并联构型装备已经被设计和开发出来, 应用的领域涉及机床、机器人、定位装置、娱乐、医疗卫生等。研究人员正试图开发出在速度、刚度、精度和费用等方面更优的并联构型装备, 以便在与传统制造装备的竞争中占据更有利的地位。

随着机器人技术的发展，并联机器人应用领域越来越广泛，成为了机器人领域新的研究话题。进口并联机器人拥有双目主动视觉检测平台装置机械设计、电气控制设计等视觉跟踪有关软件系统。并联结构其末端件上同时由6根杆支撑，与串联的悬臂梁相比刚度大，结构稳定，刚度大，并联结构较串联结构在相同的自重或体积下，有高的多的承载能力大。

并联机器人精度一个重要性能指标，它影响到机器人的工作性能，并在并联机器人领域对精度进行研究等具有实际意义的工作。对位姿误差影响，为并联机器人精度分析，是并联机器人精度综合所研究的内容。现代工业对机器人精度要求越来越高，特别是集成电路加工、手术操作、精密制造等场合应用的机器人，具有刚度大、自重负荷比小、承载能力强、相应速度快、动力性能好。并联机器人是结构复杂、多变量、多参数、强耦合的非线性系统，所以需要集成先进的控制方法，来减小机器人系统的颤震，提升其定位精度、稳定性和可靠性。

2. 研究内容和预期目标

并联机构定平台和动平台通过多个运动支链相连接，具有两个或两个以上的自由度，且以并联方式驱动的一种闭环机构，和串联机构相比，具有工作空间大、刚度高、承载能力强、运动精度高等优点。作为串联机器人的互补机构，其理论和应用研究都受到了国内外学者的广泛关注，成为学术界和工程界的研究热点。

本课题拟提出的一种能够实现曲面加工的3-DOF并联机构，在对该机构的机构特性和工作原理分析基础上，建立机构的运动学模型并进行相应分析；在运动学分析的基础上，建立基于工作空间的动力学模型，并对机构各主要构件的驱动力进行仿真分析；基于所建动力学模型设计PID控制器对并联机器人进行轨迹跟踪控制。

3. 研究的方法与步骤

（1）根据 3-dof 冗余驱动并联机构的结构特点，重点对该机构运动学进行了分析，建立了运动学正反解模型和速度雅可比矩阵，并在此基础上分析了该并联机构的工作空间及奇异性问题，为后续的动力学建模及控制器设计研究奠定了基础；

（2）分析移动机器人机构的构成和特点，根据并联机器人的运动学分析及动平台运动要求，构建基于工作空间的动力学模型，并对机构各主要构件的驱动力进行仿真分析；

（3）基于动力学模型，设计pid控制算法，并进行稳定性分析；运用matlab仿真、调试，验证设计；

4. 参考文献

[1] 刘金琨．机器人控制系统的设计与matlab仿真[m]．北京：清华大学出版社，2008：505-506．

[2]黄真，孔令富，方跃法．并联机器人机构学理论及控制[m]．北京：机械工业出版社，1997．

[3]刘辛军，谢福贵，汪劲松. 并联机器人机构学基础[m].北京：高等教育出版社，2018.11.

5. 计划与进度安排

(1) 2022.01.15－2022.02.28消化已有资料，查阅相关文献资料，完成外文翻译；

(2) 2022-03-01～2022-03-07查阅资料，总体方案制定案；

(3) 2022-03-08～2022-03-28构建移动机器人机构模型；