高速并联机器人——建模优化、运动控制与工程化应用

本文获得国家自然基金“并联机构奇异摄动方法建模与控制理论研究（项目编号：51075086）”支持，是为了解决高速运行条件下由于杆件柔性产生的弹性变形与振动的问题。本书文献综述涉及很广，理论推导严谨细致，仿真实验具有一定的现场指导意义。

为满足并联机器人高速运行时的性能要求，本书深入开展了并联机器人刚体动力学建模、刚柔耦合动力学建模、集机构驱动与控制为一体的集成优化设计、平滑运动规划与轨迹优化、考虑模型不确定与扰动及考虑柔性杆件条件下的轨迹跟踪控制等方面的关键技术研究，为并联机器人工程化应用提供了理论指导与技术支撑，是讨论高速并联机器人研究与开发方面系统的内容比较全面的书籍。本书适合从事高速重载机电系统及工业机器人研究与开发的科研工作者与工程师使用，也可供高等院校相关专业师生参考学习使用。

前言

第1章 高速并联机器人的研究关键 1
1.1 并联机器人技术的背景及研究的目的和意义 1
1.2 刚性并联机器人动力学建模研究现状 3
1.3 考虑杆件柔性的机器人动力学建模 4
1.3.1 柔性杆件建模 4
1.3.2 动力学模型逼近 5
1.3.3 考虑杆件柔性的并联机器人刚柔耦合动力学建模 6
1.4 机器人优化设计 7
1.4.1 机构优化设计 7
1.4.2 驱动与传动部件优化 8
1.4.3 集成优化设计 8
1.5 考虑部件柔性的机器人轨迹规划 8
1.5.1 间接法 9
1.5.2 直接法 9
1.6 考虑部件柔性的机器人控制 10
1.6.1 基于奇异摄动及积分流形的复合控制 10
1.6.2 滑模变结构控制 11
1.6.3 基于智能材料与智能结构的主动控制 12
1.6.4 输入整形 13
1.7 关键技术问题 14

第2章 高速并联机器人刚体动力学建模 16
2.1 引言 16
2.2 3RRR并联机器人刚体运动学与动力学 16
2.2.1 3RRR并联机器人运动学 16
2.2.2 基于牛顿-欧拉法的3RRR并联机器人动力学建模 19
2.3 2PUR-PSR并联机构运动学与动力学建模 21
2.3.1 2PUR-PSR并联机构运动学建模 21
2.3.2 2PUR-PSR并联机构动力学建模 26
2.3.3 2PUR-PSR并联机构的动力学特性分析 32
2.3.4 机构动态响应与性能的仿真研究 33
2.4 本章小结 37

第3章 高速并联机器人刚柔耦合动力学建模 38
3.1 引言 38
3.2 考虑边界效应的柔性杆件曲率有限元建模 38
3.3 基于凯恩方程的高速并联机器人刚柔耦合动力学建模 42
3.3.1 刚柔耦合运动关系建模 42
3.3.2 广义坐标 44
3.3.3 偏速度与偏角速度 44
3.3.4 广义惯性力 48
3.3.5 广义主动力 50
3.3.6 动力学方程的建立 51
3.4 刚柔耦合动力学模型验证 53
3.4.1 模态分析 53
3.4.2 加速度响应分析 55
3.5 本章小结 57

第4章 高速轻型并联机器人集成优化设计 58
4.1 引言 58
4.2 集成优化设计方法 58
4.3 集成优化设计指标 59
4.3.1 运动学与动力学指标 59
4.3.2 驱动与传动系统性能 64
4.3.3 控制系统性能 67
4.4 优化模型 68
4.5 优化算法及结果 69
4.5.1 优化算法 69
4.5.2 优化结果 69
4.6 本章小结 74

第5章 高速并联机器人运动规划与优化 75
5.1 引言 75
5.2 并联机器人平滑运动规划算法 75
5.2.1 空间直线平滑运动规划 75
5.2.2 空间圆弧运动规划算法 77
5.2.3 基于三次样条曲线的空间多点运动规划 78
5.2.4 运动规划仿真分析 80
5.3 基于多模态输入整形与PSO的残余振动抑制 84
5.3.1 输入整形振动抑制原理与多模态整形器 84
5.3.2 基于PSO的多模态整形器位置优化 86
5.4 基于分段伪谱法的点到点轨迹优化 88
5.4.1 点到点轨迹优化模型建立 88
5.4.2 基于分段伪谱法的点到点轨迹优化 90
5.5 基于分段伪谱法与多模态输入整形的点到点轨迹优化 92
5.6 本章小结 95

第6章 高速并联机器人的轨迹跟踪控制 96
6.1 引言 96
6.2 不考虑柔性的并联机器人轨迹跟踪控制算法 96
6.2.1 基于反馈线性化的轨迹跟踪控制 96
6.2.2 基于UDE的轨迹跟踪控制 97
6.3 基于积分流型与观测器的3RRR并联机器人轨迹跟踪控制 102
6.3.1 基于积分流形的模型降阶 102
6.3.2 复合控制算法设计 105
6.3.3 基于反演算法的慢速子系统控制 105
6.3.4 基于滑模变结构的快速子系统控制 109
6.3.5 曲率变化率高增益观测器设计 110
6.3.6 系统稳定性证明 112
6.3.7 算法仿真 113
6.4 本章小结 118

第7章 性能测试与实验验证 120
7.1 引言 120
7.2 实验系统构建 120
7.3 重复定位精度测试 121
7.4 动力学模型验证 123
7.4.1 模态测试 124
7.4.2 加速度响应测试 128
7.5 轨迹优化验证 128
7.5.1 基于多模态输入整形与PSO的残余振动抑制实验 129
7.5.2 基于分段伪谱法与多模态输入整形的轨迹优化实验 130
7.6 本章小结 131
结论 133

附录 135
附录A 理论模型与ABAQUS软件分析振型图 135
附录B 2PUR-PSR并联机构部分公式 137
参考文献 139