六自由度串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動優(yōu)化與軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、1954年，第一臺電子可編程機(jī)器人在美國誕生，從此，機(jī)器人不再是捷克小說家的科學(xué)幻想，而成為眾多科學(xué)家和工程師奮斗終生的目標(biāo)。歷經(jīng)50多年的發(fā)展，國外的機(jī)器人技術(shù)和應(yīng)用逐漸成熟，并造就了安川、松下、KUKA、ABB、iRobot等一批著名的機(jī)器人公司。如今，機(jī)器人已成為自動化生產(chǎn)線、柔性制造系統(tǒng)中必不可少的單元，2004年底全球在役的工業(yè)機(jī)器人超過100萬臺，2005年增長率達(dá)到創(chuàng)記錄的30％，其中亞洲機(jī)器人增長幅度高達(dá)43％，2007

2、年全球新安裝工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量超過十萬套。機(jī)器人的研究和應(yīng)用遠(yuǎn)沒有停止，而是以日新月異的速度向智能化、模塊化和系統(tǒng)化的方向發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也從傳統(tǒng)的制造業(yè)向建筑、農(nóng)業(yè)、防災(zāi)、醫(yī)療、宇宙、海洋開發(fā)等領(lǐng)域，甚至是娛樂、家庭服務(wù)等與人類活動密切相關(guān)的領(lǐng)域拓展。 然而，機(jī)器人技術(shù)是集機(jī)構(gòu)學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感技術(shù)、控制論、人工智能和仿生學(xué)等多學(xué)科于一體的高新技術(shù)。由于基礎(chǔ)制造技術(shù)、多學(xué)科交叉融合以及產(chǎn)業(yè)化推動等諸多因素的影響，我國

3、雖在1972年即開始研制工業(yè)機(jī)器人，但至今沒有形成品牌，國內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人裝備也主要依賴進(jìn)口。因此，無論是在理論和技術(shù)上跟蹤國際先進(jìn)水平，還是在應(yīng)用上服務(wù)國內(nèi)制造業(yè)，進(jìn)一步研究機(jī)器人的關(guān)鍵共性理論和技術(shù)，找到制約機(jī)器人國產(chǎn)化的核心問題和解決方案，都具有非常重要的意義。 本文以自主研制的錢江I號焊接機(jī)器人作為載體，通過理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，系統(tǒng)深入地研究了六自由度串聯(lián)機(jī)器人的實(shí)時(shí)逆運(yùn)動學(xué)、軌跡規(guī)劃與優(yōu)化、動力學(xué)耦合特性和高

4、精度軌跡跟蹤控制問題，旨在找到工業(yè)機(jī)器人國產(chǎn)化的受限因素，并為串聯(lián)機(jī)器人的開發(fā)應(yīng)用提供一套有效的理論和技術(shù)解決方案。 本文的研究共分為七章，各章內(nèi)容概括如下： 第一章，調(diào)研分析國內(nèi)外串聯(lián)機(jī)器人的發(fā)展歷程及應(yīng)用現(xiàn)狀，以工業(yè)機(jī)器人為重點(diǎn)指出串聯(lián)機(jī)器人的核心理論和技術(shù)問題，結(jié)合國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人研究和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，闡明本課題的研究意義、研究難點(diǎn)和研究內(nèi)容。 第二章，建立機(jī)器人連桿坐標(biāo)系并獲得D-H參數(shù)，推導(dǎo)機(jī)器人正運(yùn)動學(xué)和逆運(yùn)

5、動學(xué)計(jì)算公式。由于任務(wù)空間的位姿變量和關(guān)節(jié)空間的關(guān)節(jié)變量具有一對多關(guān)系，因此重點(diǎn)解決逆運(yùn)動學(xué)算法的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性問題。將機(jī)器人的幾何結(jié)構(gòu)從滿足Pieper準(zhǔn)則拓展到一般幾何結(jié)構(gòu)，提出一種基于矩陣分解的一般6R機(jī)器人實(shí)時(shí)逆運(yùn)動學(xué)算法，結(jié)合封閉解法、牛頓-拉夫森迭代算法，得到一套可以解決各類幾何結(jié)構(gòu)六自由度串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動學(xué)問題的高效算法。采用C++實(shí)現(xiàn)整套算法，使其可以用于6R機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。 第三章，建立機(jī)器人任務(wù)空間和關(guān)節(jié)

6、空間軌跡構(gòu)造方法。推導(dǎo)三維空間直線、圓弧、樣條曲線構(gòu)造方程。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)的柔順性，采用三次樣條曲線構(gòu)造任務(wù)空間平滑位置軌跡，采用四元數(shù)球面立體插值方法構(gòu)造任務(wù)空間平滑姿態(tài)軌跡。由于機(jī)器人各關(guān)節(jié)驅(qū)動和傳動部件具有輸出力矩限制和運(yùn)動平滑性要求，因此，提出一種考慮運(yùn)動學(xué)約束的平滑軌跡規(guī)劃方法，采用B樣條曲線構(gòu)造關(guān)節(jié)軌跡，使關(guān)節(jié)速度、加速度、加加速度均連續(xù)，且軌跡的起始和終止位置的速度、加速度和加加速度可以任意配置。為提高機(jī)器人的作業(yè)效率，

7、研究時(shí)間最優(yōu)軌跡規(guī)劃，以軌跡執(zhí)行時(shí)間作為優(yōu)化目標(biāo)，將運(yùn)動學(xué)約束轉(zhuǎn)化為B樣條曲線控制頂點(diǎn)約束，采用序列二次規(guī)劃算法搜索最優(yōu)時(shí)間節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而規(guī)劃出時(shí)間最優(yōu)且加加速度連續(xù)的軌跡。將加加速度累積效果作為優(yōu)化目標(biāo)，采用類似的軌跡構(gòu)造方法和尋優(yōu)方法，規(guī)劃出最優(yōu)平滑軌跡。該套軌跡規(guī)劃與優(yōu)化算法為機(jī)器人快速平穩(wěn)地執(zhí)行作業(yè)任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。 第四章，討論自主研制的錢江I號焊接機(jī)器人及其關(guān)鍵技術(shù)，包括系統(tǒng)架構(gòu)、機(jī)器人本體、嵌入式示教盒軟硬件、主控制器及

8、主控軟件、運(yùn)動控制器及運(yùn)動控制軟件、手動焊機(jī)數(shù)字化轉(zhuǎn)接模塊。采用拉格朗日功能平衡法推導(dǎo)六自由度串聯(lián)機(jī)器人的動力學(xué)方程，代入錢江Ⅰ號焊接機(jī)器人的結(jié)構(gòu)參數(shù)，分析其慣量特性、哥氏力和離心力特性、重力矩特性，為機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和驅(qū)動傳動部件的合理選型提供理論依據(jù)，為關(guān)節(jié)控制器和軌跡跟蹤控制器的研究設(shè)計(jì)提供動力學(xué)模型。 第五章，首先分析電機(jī)驅(qū)動的機(jī)器人單關(guān)節(jié)控制模型。在Matlab中建立交流伺服電機(jī)PID控制模型，以單關(guān)節(jié)階躍響應(yīng)的瞬態(tài)

9、性能和穩(wěn)態(tài)性能作為優(yōu)化指標(biāo)，采用序列二次規(guī)劃方法分別在單關(guān)節(jié)最大慣量和最小慣量處對速度閉環(huán)PI控制參數(shù)和位置閉環(huán)PID控制參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)。然后，考慮機(jī)器人六關(guān)節(jié)聯(lián)動時(shí)的動態(tài)、耦合和非線性特性，分別采用模糊自適應(yīng)PID控制策略和有重力補(bǔ)償?shù)腜ID控制策略提高軌跡跟蹤精度，研究模糊自適應(yīng)PID控制器對于提高軌跡跟蹤精度的效果，研究完全重力補(bǔ)償PID控制器應(yīng)用于串聯(lián)機(jī)器人的可行性和有效性。 第六章，針對工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行的作業(yè)任務(wù)具有重復(fù)性

10、的特點(diǎn)，引入迭代學(xué)習(xí)控制技術(shù)，用于適應(yīng)工業(yè)機(jī)器人重復(fù)執(zhí)行作業(yè)任務(wù)時(shí)重復(fù)出現(xiàn)的動態(tài)特性，包括慣量耦合、力矩耦合、摩擦力、噪聲干擾等。提出一種自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)軌跡跟蹤控制器，根據(jù)軌跡跟蹤的誤差和誤差導(dǎo)數(shù)得到學(xué)習(xí)量，用于修正PD控制器的輸出，從而提高軌跡跟蹤精度。提出一種輸入型迭代學(xué)習(xí)控制策略，在不改變控制器模型和參數(shù)的條件下，通過修正輸入?yún)⒖架壽E達(dá)到提高期望軌跡跟蹤精度的目的。在錢江I號焊接機(jī)器人系統(tǒng)上進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，結(jié)果驗(yàn)證了輸入迭代學(xué)習(xí)策略