面向動態(tài)性能的工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工、汽車制造、裝配和物流碼垛等自動化生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對機(jī)器人工作效率、響應(yīng)速度、軌跡跟蹤精度和穩(wěn)定時間等動態(tài)性能提出越來越高的要求。為提高機(jī)器人動態(tài)性能，本文建立了碼垛機(jī)器人動力學(xué)模型；并以此為基礎(chǔ)分別從機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于線性化動力學(xué)模型機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)和機(jī)器人抑制振動方法三個方面開展相關(guān)問題研究；此外基于工業(yè)計(jì)算機(jī)和高速通訊總線的機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究并進(jìn)行了相應(yīng)性能測試與實(shí)驗(yàn)。
　

2、　本文首先建立了碼垛機(jī)器人運(yùn)動學(xué)和剛體動力學(xué)模型。在剛體動力學(xué)方程基礎(chǔ)上，采用集中參數(shù)法同時考慮關(guān)節(jié)柔性和連桿柔性建立了機(jī)器人剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)方程。根據(jù)機(jī)器人剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)方程的特點(diǎn)，在求解逆動力學(xué)過程中將機(jī)器人運(yùn)動學(xué)方程作為約束條件，將原有的非線性微分方程擴(kuò)展為具有代數(shù)方程約束的微分代數(shù)方程。代數(shù)方程的引入提高了逆動力學(xué)求解的合理性和準(zhǔn)確性，所求解狀態(tài)變量不僅滿足動力學(xué)方程而且符合機(jī)器人運(yùn)動學(xué)約束。通過對代數(shù)方程約束進(jìn)行微分并引入虛擬變

3、量，降低剛?cè)狁詈蟿恿W(xué)方程的微分指標(biāo)進(jìn)而降低了方程的求解難度。將微分代數(shù)方程求解問題轉(zhuǎn)化為非線性微分方程初值問題進(jìn)行求解。
　　為設(shè)計(jì)機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)，首先分析機(jī)器人驅(qū)動系統(tǒng)元件屬性對機(jī)器人整體性能的影響。根據(jù)機(jī)器人性能設(shè)計(jì)需求，建立以機(jī)器人工作效率和固有振動頻率為目標(biāo)函數(shù)，以電機(jī)峰值和額定轉(zhuǎn)矩、減速器壽命以及負(fù)載自重比等指標(biāo)為約束條件的優(yōu)化模型。為解決離散變量優(yōu)化問題，建立離散優(yōu)化變量與系統(tǒng)屬性特征之間的映射關(guān)系。通過動力學(xué)仿真結(jié)

4、果計(jì)算相應(yīng)的性能指標(biāo)和約束函數(shù)條件，并利用混合變量遺傳算法求解離散變量優(yōu)化問題。結(jié)果表明整個優(yōu)化模型和優(yōu)化方法可行，相應(yīng)動態(tài)性能均得到有效的提升。
　　為抑制機(jī)器人振動，根據(jù)機(jī)器人振動形式，將機(jī)器人振動分為殘余振動和運(yùn)動過程中振動兩種。首先，分析機(jī)器人在停止時刻的殘余振動特性，將其運(yùn)動表述為自由振動狀態(tài)下的振動方程。根據(jù)模態(tài)分析理論得出振動方程時域響應(yīng)表達(dá)式，將機(jī)器人殘余振動的主要因素歸結(jié)為運(yùn)動停止時刻軌跡的位置和速度誤差。然后，

5、從控制系統(tǒng)角度將參考軌跡有可能引起機(jī)器人運(yùn)動過程中振動的因素歸結(jié)為：起始點(diǎn)和終點(diǎn)軌跡的連續(xù)性以及軌跡自身頻率特性。根據(jù)上述分析，基于柔性關(guān)節(jié)動力學(xué)方程，構(gòu)造性能指標(biāo)函數(shù)，將殘余振動抑制運(yùn)動規(guī)劃問題視為泛函極值求解問題。基于Pontryagin最大值原理將泛函極值問題轉(zhuǎn)換為常微分方程組邊界值求解問題。為減小機(jī)器人運(yùn)動過程中振動，在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)速度，加速度邊界連續(xù)的條件下采用傅里葉級數(shù)對最優(yōu)計(jì)算得到的軌跡進(jìn)行曲線擬合。在保證擬合精度的前提

6、下盡可能降低前饋轉(zhuǎn)矩包含的高頻諧波分量，減小激勵機(jī)器人自身固有頻率的可能。結(jié)果表明，提出的機(jī)器人振動抑制軌跡規(guī)劃策略可以有效降低機(jī)器人殘余振動幅度和時間，并減小運(yùn)動過程中關(guān)節(jié)的柔性變形。
　　在基于線性化動力學(xué)模型的機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)方面，首先分析柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人動力學(xué)模型在整個工作空間的非線性特性，采用高階奇異值分解方法建立機(jī)器人凸多面體模型。通過數(shù)值計(jì)算和閉環(huán)仿真兩種方式驗(yàn)證獲得的凸多面體模型能夠在工作空間內(nèi)準(zhǔn)確地描述非線性的柔性

7、關(guān)節(jié)機(jī)器人非線性動力學(xué)特性?；诜答伨€性化控制器設(shè)計(jì)方法和最優(yōu)控制理論，通過求解凸多面體模型頂點(diǎn)對應(yīng)Riccati方程組的公共正定解，將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式組求解問題，通過求解對應(yīng)的線性矩陣不等式組得到最優(yōu)的變增益控制器。仿真結(jié)果表明，采用最優(yōu)變增益控制可以有效降低機(jī)器人柔性關(guān)節(jié)變形，提高軌跡跟蹤精度。
　　在碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)具體工程實(shí)現(xiàn)方面，首先對運(yùn)動控制系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)分解，基于運(yùn)動控制狀態(tài)機(jī)編寫了機(jī)器人底層控制軟件