6R型串聯(lián)弧焊機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其控制研究.pdf

1、工業(yè)機(jī)器人市場蓬勃發(fā)展，據(jù)估計(jì)，全球工業(yè)機(jī)器人市場仍然有1.2～1.5百萬臺市場空間，然而，在這巨大的市場中，中國工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品不足1％。因此，對工業(yè)機(jī)器人的通用共性技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)的深入研究不僅對我國機(jī)器人技術(shù)發(fā)展意義重大，更可為我國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)帶來極大的經(jīng)濟(jì)利益。本文對6R型串聯(lián)弧焊機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制方法進(jìn)行系統(tǒng)深入研究，主要研究內(nèi)容如下：
　　 第一章，在查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，綜述了本課題的相關(guān)研究背景及意義，介紹了

2、機(jī)器人特別是工業(yè)機(jī)器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，探討了工業(yè)機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)了工業(yè)機(jī)器人發(fā)展趨勢，提出了本課題的主要研究工作。
　　 第二章，設(shè)計(jì)并研制了六自由度串聯(lián)關(guān)節(jié)型弧焊機(jī)器人——錢江Ⅰ號，建立了錢江Ⅰ號運(yùn)動學(xué)正解模型，提出了一種用于計(jì)算多自由度串聯(lián)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)型機(jī)器人最大工作空間的曲面包絡(luò)疊加計(jì)算方法，該方法將多自由度機(jī)器人分為幾個少自由度部分，選取各部分的工作參考點(diǎn)并用曲面包絡(luò)法計(jì)算各參考點(diǎn)的邊界曲面，然后，將各

3、部分的邊界曲面相互疊加以獲得最終完整工作空間，在錢江Ⅰ號上的仿真結(jié)果表明，該方法可有效計(jì)算機(jī)器人工作空間，建立其三維模型，方法簡單、直觀。
　　 第三章，研究了串聯(lián)機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化通用性能指標(biāo)，針對工業(yè)機(jī)器人長期重復(fù)執(zhí)行單一軌跡規(guī)劃任務(wù)的工作特性，提出了基于工作空間和能量消耗綜合最優(yōu)的機(jī)器人結(jié)構(gòu)優(yōu)化性能指標(biāo)，采用實(shí)數(shù)編碼遺傳優(yōu)化算法對錢江Ⅰ號結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了優(yōu)化后機(jī)器人連桿設(shè)計(jì)參數(shù)。優(yōu)化結(jié)果表明，基于工作空間和能量消耗綜合最

4、優(yōu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法不但能夠滿足機(jī)器人原有工作空間特性約束，同時還能減小運(yùn)行能量消耗以降低機(jī)器人運(yùn)行成本。
　　 第四章，提出了一種機(jī)器人關(guān)節(jié)位置反饋空間校正法，設(shè)計(jì)了空間校正濾波器模型對各關(guān)節(jié)位置反饋進(jìn)行濾波，以消除機(jī)器人結(jié)構(gòu)誤差，并通過運(yùn)動學(xué)正解得到機(jī)器人末端參考點(diǎn)真實(shí)位置反饋，研究了基于最小均方值自適應(yīng)算法的空間校正濾波器權(quán)值矩陣優(yōu)化求解方法及基于分段樣條曲線的關(guān)節(jié)校正權(quán)值擬合方法，得到了各關(guān)節(jié)校正權(quán)值分段多項(xiàng)式樣條函數(shù)。在錢

5、江Ⅰ號上的仿真結(jié)果表明，文中提出的空間校正濾波器權(quán)值矩陣求解方法可有效得到關(guān)節(jié)校正權(quán)值，由空間校正濾波器得到的機(jī)器人工作參考點(diǎn)校正軌跡與其真實(shí)軌跡相吻合。
　　 第五章，實(shí)現(xiàn)了錢江Ⅰ號機(jī)器人關(guān)節(jié)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用遞歸廣義最小二乘算法辨識了錢江Ⅰ號關(guān)節(jié)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)模型，并在此基礎(chǔ)上采用改進(jìn)的實(shí)數(shù)編碼自適應(yīng)遺傳優(yōu)化算法對錢江Ⅰ號關(guān)節(jié)位置閉環(huán)控制參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了各關(guān)節(jié)控制參數(shù)優(yōu)化結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化后的關(guān)節(jié)位置閉環(huán)控

6、制系統(tǒng)在響應(yīng)、超調(diào)、穩(wěn)態(tài)誤差等方面較優(yōu)化前都有明顯改善。
　　 第六章，針對串聯(lián)機(jī)器人時延響應(yīng)問題，提出了自適應(yīng)實(shí)時預(yù)測補(bǔ)償控制方法，建立了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)節(jié)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)預(yù)測模型，推導(dǎo)了模型層間權(quán)值修正公式，建立了錢江Ⅰ號自適應(yīng)實(shí)時預(yù)測補(bǔ)償控制模型并對其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)．在錢江Ⅰ號上的軌跡跟蹤實(shí)驗(yàn)和焊接試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)用自適應(yīng)實(shí)時預(yù)測補(bǔ)償控制后，機(jī)器人工作參考點(diǎn)軌跡跟蹤更加平穩(wěn)，精度更高，弧焊焊縫更均勻且連續(xù)無斷點(diǎn)。