關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)參數(shù)辨識及前饋控制研究.pdf

1、工業(yè)機(jī)器人集現(xiàn)代制造技術(shù)、新型材料技術(shù)和信息控制技術(shù)為一體，廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)過程中的搬運(yùn)、焊接、裝配、加工、涂裝等方面，并且正向著高速、高精度、高智能化的方向發(fā)展，加之產(chǎn)業(yè)需求的不斷擴(kuò)大與提升，諸如新型的激光焊接、激光切割等現(xiàn)代任務(wù)對機(jī)器人的控制精度提出了更加嚴(yán)苛的要求。在傳統(tǒng)的機(jī)器人控制策略中，由于伺服驅(qū)動器內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)忽略了機(jī)器人運(yùn)動控制中的各項非線性因素，因而，僅通過誤差反饋的控制策略是無法保證機(jī)器人在高速運(yùn)行時的控制精度的

2、。而基于機(jī)器人動力學(xué)模型的前饋補(bǔ)償控制，可以加快伺服驅(qū)動器內(nèi)部的誤差收斂速度，進(jìn)而改善機(jī)器人的動態(tài)響應(yīng)特性。
　　國外先進(jìn)的整機(jī)制造商已將基于動力學(xué)模型的力矩補(bǔ)償技術(shù)融入到機(jī)器人控制器中，國內(nèi)現(xiàn)階段已經(jīng)投入了大量的時間與精力用于開展機(jī)器人的動力學(xué)相關(guān)研究，雖然理論研究較為深入，但大部分的研究都停留在仿真環(huán)節(jié)。本文針對工業(yè)現(xiàn)場典型的關(guān)節(jié)型機(jī)器人，在總結(jié)國內(nèi)已有研究成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計并完善了關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)參數(shù)辨識方案，并基于現(xiàn)有

3、的實驗條件，對本文所設(shè)計的方案進(jìn)行了實驗驗證。此外，本文利用Simulink通用仿真平臺對基于動力學(xué)模型的前饋控制方案進(jìn)行了可行性驗證。
　　為開展關(guān)節(jié)型機(jī)器人的動力學(xué)參數(shù)辨識及前饋控制研究，首先，本文以埃斯頓公司的ER16為研究對象，分析了傳統(tǒng)方法在構(gòu)建機(jī)器人動力學(xué)模型上的優(yōu)劣，最終選取迭代式的Newton-Euler法來構(gòu)建其動力學(xué)模型，并基于線性化的數(shù)學(xué)理論，通過symPybotics工具包整理得關(guān)節(jié)型機(jī)器人動力學(xué)模型的最小

4、參數(shù)集，最后利用Matlab中的Robotics Toolbox對上述模型進(jìn)行了驗證。
　　接著，論文依據(jù)激勵軌跡的設(shè)計目標(biāo)，提出了基于有限項傅里葉級數(shù)的激勵軌跡模型，并在機(jī)器人各關(guān)節(jié)狀態(tài)的約束下，將模型中回歸矩陣的條件數(shù)極小化作為優(yōu)化目標(biāo)，通過多次篩選求得最優(yōu)軌跡，最后以ER16前三軸為實驗對象開展機(jī)器人的動力學(xué)參數(shù)辨識。針對相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，本文設(shè)計了巴特沃斯濾波與零相位數(shù)字濾波相結(jié)合的方案，并輔以RLOESS算法，不僅有效地濾除

5、了數(shù)據(jù)中的高頻噪聲，而且保證了相位的不失真性。最后，利用加權(quán)最小二乘法對動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行辨識，并設(shè)計了空間玫瑰型軌跡用于參數(shù)驗證。
　　論文最后在上述參數(shù)辨識方案的基礎(chǔ)上，開展了基于動力學(xué)模型的前饋控制研究。依據(jù)前饋控制的實現(xiàn)原理以及實際控制系統(tǒng)中的時間約束，并借由Simulink平臺對關(guān)節(jié)型機(jī)器人的三軸系統(tǒng)進(jìn)行了前饋控制的仿真驗證。本文通過有無前饋控制的對比仿真實驗，證明了基于動力學(xué)模型的前饋控制方案有利于提高關(guān)節(jié)型機(jī)器人的軌跡精