基于 U-K 理论的二自由度冗余驱动并联机器人动力学建模

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1、分类号:TH1210710-2014125025硕士学位论文基于U-K理论的二自由度冗余驱动并联机器人动力学建模罗丽导师姓名职称惠记庄教授申请学位级别工学硕士学科专业名称机械制造及其自动化论文提交日期2017年5月25日论文答辩日期2017年6月10日学位授予单位长安大学TheDynamicModelingof2-DOFRedundantActuationParallelRobotBasedonU-KTheoryADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate:LuoLiSupervisor:Prof.HuiJ

2、izhuangChang’anUniversity,Xi’an,China摘要冗余驱动并联机器人具有精度高、刚度大、承载能力强、结构紧凑的优势，在医疗、航空航天、军事等高精尖领域得到了广泛的应用。由于并联机器人是一种复杂的空间多闭环结构，其动力学建模过程复杂，步骤繁琐。目前，传统的并联机器人动力学建模方法虽然可以得到其动力学模型，但仍存在建模过程需要借助辅助变量，很难得到动力学解析模型，无法系统化建立在非理想约束下的动力学模型等问题。针对上述问题，本文以二自由度冗余驱动并联机器人为研究对象，引入一种新的多体系统建模方法—基于Udwadia-Kalaba理论的层级堆

3、聚建模方法，对机器人进行动力学建模研究。首先，对二自由度冗余驱动并联机器人进行运动学分析，对其运动位置进行正向和逆向求解，求解关节与末端执行器之间的速度及加速度关系；其次，利用层级堆聚建模方法，建立并联机器人的动力学解析模型，并借助拉格朗日乘子方法对该动力学模型进行理论论证，然后在MATLAB软件中对机器人的动力学模型进行仿真验证；最后，考虑并联机器人主动关节处约束为非理想约束时，即考虑主动关节处存在摩擦力，建立机器人关节摩擦力的解析式，并对关节摩擦力与关节约束力进行解耦，得到并联机器人动力学解析解耦模型，再借助MATLAB软件对获得的模型进行数值仿真研究。研究结

4、果表明，层级堆聚建模方法能够系统、快速、有效地建立二自由度冗余驱动并联机器人的动力学解析解耦模型，为机器人的动态控制研究奠定基础。关键词：并联机器人，动力学建模，U-K理论，层级堆聚，关节摩擦IAbstractTheredundantactuationparallelrobothasgreatadvantages，suchashighprecision,greatrigidity,heavy-loadcapacityandcompactstructure.Henceithasbeenwidelyusedinthemedical,aerospace,military

5、andothersophisticatedareas.Asthecomplexmulti-closedloopstructureoftheparallelrobot,itsdynamicmodelingprocessiscomplexandcomplicated.Atpresent,thedynamicmodelcanbeobtainedbythetraditionalmodelingmethods,buttherestillexistsomeweaknessesinmodelingprocess.Forexample,itneedsauxiliaryvariab

6、les,hardtogettheanalyticaldynamicmodel,andcannotestablishthedynamicmodelsystematicallywhentheconstraintisnon-ideal.Fortheaboveproblems,the2-DOFredundantactuationparallelrobotwastakenastheresearchobject.Anewmodelingmethodofmulti-bodysystem,thecascadingandclusteringmodelingmethodbasedon

7、theUdwadia-Kalabatheory,wasutilizedtothedynamicmodelresearchofrobotinthispaper.First,thepaperstartedwiththekinematicsanalysisofthe2-DOFredundantactuationparallelrobot.Theforwardandinversesolutionofmotionpositionwassolved.Andtherelationofthevelocityandaccelerationbetweenthejointsandend

8、effec