多自由度串聯(lián)機(jī)器人關(guān)節(jié)摩擦分析與低速高精度運(yùn)動(dòng)控制.pdf

1、多自由度串聯(lián)機(jī)器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療、航天、海洋等領(lǐng)域。雖然歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，其相關(guān)技術(shù)已基本成熟，但從運(yùn)動(dòng)控制的角度看，極端情況下的運(yùn)動(dòng)控制仍然是個(gè)沒(méi)有很好解決的問(wèn)題，如低速高精度控制、高速高精度控制，從而導(dǎo)致機(jī)器人在很多特殊工況的應(yīng)用受到較大限制。本文針對(duì)多自由度串聯(lián)機(jī)器人低速高精度運(yùn)動(dòng)控制的問(wèn)題開(kāi)展研究，在機(jī)器人結(jié)構(gòu)確定的情況下，主要從關(guān)節(jié)摩擦建模與補(bǔ)償、提高速度信號(hào)品質(zhì)、設(shè)計(jì)高精度運(yùn)動(dòng)控制策略這三個(gè)角度出發(fā)來(lái)提升低速運(yùn)動(dòng)

2、的性能。
　　本文首先介紹相關(guān)研究背景，全面分析影響機(jī)器人低速運(yùn)動(dòng)性能的幾方面因素，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)量元件分辨率、非線性環(huán)節(jié)的影響、控制系統(tǒng)的性能等，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化、低速下高品質(zhì)速度信號(hào)獲取方法、非線性摩擦建模與補(bǔ)償，以及高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制策略設(shè)計(jì)是目前幾個(gè)主要研究方向。
　　設(shè)計(jì)基于動(dòng)力學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)控制器是提高低速運(yùn)動(dòng)控制精度及平穩(wěn)性的有效途徑。該方法的前提是已知機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型及參數(shù)值。因而，本文第二章在動(dòng)力學(xué)建模的基

3、礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了一種在閉環(huán)控制下進(jìn)行的離線辨識(shí)方法來(lái)獲取機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。該方法針對(duì)傳統(tǒng)傅里葉級(jí)數(shù)不滿足速度、加速度邊界條件的缺陷，提出一種改進(jìn)傅里葉級(jí)數(shù)作為激勵(lì)軌跡。為提升抗噪聲能力，以最小化觀測(cè)矩陣條件數(shù)作為優(yōu)化準(zhǔn)則，采用遺傳算法來(lái)優(yōu)化激勵(lì)軌跡系數(shù)。進(jìn)一步，采用最大似然法作為參數(shù)估計(jì)方法，以便考慮測(cè)量噪聲的影響。
　　在諸多非線性環(huán)節(jié)中，關(guān)節(jié)摩擦是影響低速運(yùn)動(dòng)性能的核心因素，有必要作深入分析。在機(jī)器人系統(tǒng)中，廣泛采用RV減

4、速器與諧波減速器作為傳動(dòng)元件，本文的第三章對(duì)RV驅(qū)動(dòng)與諧波驅(qū)動(dòng)這兩種典型關(guān)節(jié)的摩擦來(lái)源、摩擦測(cè)量方法、摩擦特征、建模及辨識(shí)方法進(jìn)行了系統(tǒng)研究。對(duì)于RV驅(qū)動(dòng)大慣量關(guān)節(jié)，分析了不同負(fù)載力矩下摩擦參數(shù)的變化規(guī)律，并基于傳統(tǒng)指數(shù)模型，提出一種擴(kuò)展摩擦模型以補(bǔ)充描述負(fù)載力矩的影響。對(duì)于諧波驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，為描述摩擦隨輸入角位置變化而周期性波動(dòng)的現(xiàn)象，采用快速傅里葉變換對(duì)摩擦數(shù)據(jù)作頻域分析，提取主導(dǎo)頻率成分。提出采用指數(shù)模型+正余弦函數(shù)的組合形式來(lái)描述關(guān)

5、節(jié)摩擦特性。
　　機(jī)器人系統(tǒng)中，高品質(zhì)的關(guān)節(jié)角速度信號(hào)對(duì)于補(bǔ)償非線性摩擦的影響、設(shè)計(jì)基于全狀態(tài)反饋的控制器等具有重要的意義。因而在研究補(bǔ)償控制算法之前，需要設(shè)計(jì)一種有效的速度估計(jì)方法。針對(duì)低速下量化誤差及測(cè)量噪聲對(duì)速度估計(jì)精度產(chǎn)生較大影響的問(wèn)題，本文探討了非線性跟蹤微分器在實(shí)時(shí)速度估計(jì)中的應(yīng)用（第四章）。非線性跟蹤微分器具有實(shí)現(xiàn)便捷、參數(shù)整定簡(jiǎn)單、不依賴于對(duì)象模型的優(yōu)點(diǎn)，非常適合于機(jī)器人系統(tǒng)。
　　在第二、三章建模及參數(shù)辨識(shí)

6、的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)基于模型的補(bǔ)償控制算法可以明顯改善低速運(yùn)動(dòng)性能。對(duì)于RV驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，為克服固定補(bǔ)償難以處理摩擦不確定性的弱點(diǎn)，控制器設(shè)計(jì)時(shí)利用了自適應(yīng)控制在線學(xué)習(xí)的能力。首先，通過(guò)引入模糊邏輯系統(tǒng)逼近關(guān)節(jié)摩擦，并實(shí)現(xiàn)模糊模型的線性化以便設(shè)計(jì)自適應(yīng)學(xué)習(xí)機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，提出一種模糊自適應(yīng)魯棒控制算法。對(duì)于諧波驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，其摩擦具有隨角位置周期性波動(dòng)的特征，非線性強(qiáng)，難以變換為合理的線性形式，自適應(yīng)控制并不適用?？紤]到當(dāng)不確定性在一定范圍內(nèi)變化時(shí)

7、，魯棒控制能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定且維持一定的性能指標(biāo)，因而提出一種具有摩擦補(bǔ)償?shù)聂敯艨刂破鳌?br>　　當(dāng)關(guān)節(jié)數(shù)目較多(＞3)時(shí)，由于模型復(fù)雜度、計(jì)算量、參數(shù)辨識(shí)難度的急劇增加，第五章提出的基于模型的控制策略將難以應(yīng)用。對(duì)模型依賴度度低、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)便捷的控制器更受工程人員的青睞。因而第六章在開(kāi)展多關(guān)節(jié)聯(lián)動(dòng)低速控制問(wèn)題的研究時(shí)，以設(shè)計(jì)對(duì)模型依賴程度低或獨(dú)立于模型的控制算法為目標(biāo)。首先在交流伺服系統(tǒng)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了具有摩擦前饋的模糊