3-DOF并联机器人滑模轨迹跟踪控制研究开题报告

1. 研究目的与意义

近几年，国产并联机器人产学研结合日益密切，并联机器人应用市场不再由国外完全包揽。自从2012年国外专利解禁，国内市场逐渐开始涌现出了一大批并联机器人企业，如阿童木机器人，销售市场呈现出了良好发展局面。据统计，2015年国内并联机器人市场销售约900台，2016年销售约1500台，2017年销售约3800台，每年呈50%以上的增速发展。并联机器人已成为工业机器人销售增长的新生力量！其中的潜在应用市场需求巨大，并且未来将不断扩大。尤其是近年来，并联构型延伸到教育、生活服务等更广泛的应用市场，并联构型产业发展迅速。并联构型装备已成为制造业目前的研究热点之一。

我国著名机构学专家黄真教授给出了并联机构的定义：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。与串联机构相比，并联机器人具有精度高、刚度高、速度高和承载力大等特点, 因而被广泛应用于定位装置、运动生成器和快速拾放机器人, 以及机床、医疗器械、触摸装置和娱乐设施等。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。我国在并联机构的研究方面也取得了一些阶段性成果，但目前我国已开发的大多数并联机床尚未达实用产品水平，均存在样机种类少、动态刚度和加工精度低的共同问题。因此，加大对并联机构理论、设计与应用等方面的关键技术研究已成了大家的共识。

2. 研究内容和预期目标

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——机器人运动学分析按照求解方向可分为逆解分析和正解分析，其中，逆解相对容易，正解较为复杂；在运动学分析的基础上，建立基于工作空间的动力学模型——机器人动力学分析研究的是机器人驱动力或力矩和末端运动之间的关系，根据求解方向不同，可分为动力学正解分析和动力学逆解分析两类，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滑模控制器对并联机器人进行轨迹跟踪控制，并对系统稳定性进行分析。

预期目标：1、能够深刻理解并联机构的工作原理。

2、运动学分析分别从逆解与正解出发，能比较出两者的优劣势。

3. 研究的方法与步骤

运动学分析是并联机构领域的关键研究内容之一，在机构的结构尺寸优化、工作空间分析、奇异位形分析、路径规划、误差分析、动力分析、机构综合以及高精度控制等方面具有重要意义。并联机构的运动学分析主要包括正解分析和逆解分析，并联机构的逆解容易，且具有唯一解。而其正解较为复杂，位置正解是并联机构研究中有待解决的重要问题之一。

动力学研究是并联机构研究的一个重要分支，主要研究机构运动和作用力之间的关系，作为动力学研究的重要内容，动力学模型是进行动力学特性分析的基础，同时也是研究动力学优化设计及动力学控制的前提。由于并联机构是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数耦合的复杂的空间多链机构，为了提高其操作速度、动态精度等性能，同时也为高精度时实控制提供分析的手段和方法，需要从控制角度建立有效的动力学模型。

轨迹控制采用的是滑膜轨迹控制法，滑模变结构控制设计不依赖于被控对象精确数学模型，对外界干扰和参数变化不敏感，具有动态性能好，物理实现简单等优点，在解决并联机构这类不确定非线性系统的控制问题上具有很大的优势。

4. 参考文献

[1] 刘金琨等．滑模变结构控制matlab仿真[m]．北京：清华大学出版社，2005．

[2]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．

[3]牛雪梅．新型3-dof驱动冗余并联机构动力学建模及其滑模控制研究[d]．镇江：江苏大学，2014．

5. 计划与进度安排

(1)2022.01.13－2022.02.28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构建机器人机构动力学模型；