摘要
通过对传统并联机器人的结构进行创新，绳索牵引并联机器人（亦称为绳索机器人）是一类选择柔性绳索而非刚性连杆用以连接的新型机器人。得益于此特殊结构，绳索牵引并联机器人具有高速、大工作空间、强负载能力和易于模块化等显著优点。然而，也正是由于绳索牵引方式的特殊性，绳索牵引并联机器人的控制一直面临着绳索张力为正的约束和模型不确定性的挑战。针对这些问题，将绳索之间的同步协调运动与先进的控制方案相结合，设计新颖的控制策略以实现更好的控制性能，并且在理论的基础上通过仿真和实验进行验证。本文的主要研究内容包括: 1)将绳索同步方案与快速终端滑模方法相结合，设计了快速终端滑模同步控制策略。利用协调控制的优势与快速终端滑模有限时间收敛的特性，所提控制策略从协调相邻绳索的同步运动和加快误差的收敛速度两个角度共同提高绳索机器人的跟踪精度。基于Lyapunov理论，对系统的稳定性和误差的收敛性进行了证明。在六自由度绳索牵引并联机器人上，完成了轨迹跟踪仿真和实验。相较于同步控制的仿真结果，在所提控制策略的作用下误差收敛速度更快。实验中同增广PD控制和同步控制策略的对比结果表明，所提控制策略表现出更优的跟踪精度。 2)基于绳索牵引并联机器人的拓扑结构，提出了新的关于绳索整体协调的同步方案。同时，从动力学参数自适应的方向切入，设计自适应律以实现参数的快速收敛性能。继而，提出了可以保证参数收敛速度的快速自适应同步控制策略，并且详细证明了系统的稳定性和参数的收敛性。另外，进行了数值仿真和实际实验以验证所提控制策略的性能。实验结果表明，在快速自适应同步控制策略的作用下，不仅有效地协调了所有绳索的运动，而且更快地更新了动力学参数，从而呈现出高精度的控制性能。 3)考虑绳索弹性，基于主导动力学特性将其建模为无质量的线性轴向弹簧，重新完成系统建模。由此设计级联结构的控制器，内环是调整绳索长度的PD控制器，外环则是二阶滑模同步控制器，将绳索整体协调的同步思想与二阶滑模控制相结合，提高控制精度并且抑制抖振。闭环系统的稳定性通过奇异摄动理论进行证明。此外，在六自由度绳索牵引并联机器人上，利用相机和编码器测量，实验验证了所提控制器的性能。
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