六自由度串聯(lián)機器人運動優(yōu)化與軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、1954年，第一臺電子可編程機器人在美國誕生，從此，機器人不再是捷克小說家的科學幻想，而成為眾多科學家和工程師奮斗終生的目標。歷經(jīng)50多年的發(fā)展，國外的機器人技術和應用逐漸成熟，并造就了安川、松下、KUKA、ABB、iRobot等一批著名的機器人公司。如今，機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)機器人超過100萬臺，2005年增長率達到創(chuàng)記錄的30％，其中亞洲機器人增長幅度高達43％，2007

2、年全球新安裝工業(yè)機器人的數(shù)量超過十萬套。機器人的研究和應用遠沒有停止，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，其應用領域也從傳統(tǒng)的制造業(yè)向建筑、農(nóng)業(yè)、防災、醫(yī)療、宇宙、海洋開發(fā)等領域，甚至是娛樂、家庭服務等與人類活動密切相關的領域拓展。 然而，機器人技術是集機構(gòu)學、電子技術、計算機技術、傳感技術、控制論、人工智能和仿生學等多學科于一體的高新技術。由于基礎制造技術、多學科交叉融合以及產(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)機器人，但至今沒有形成品牌，國內(nèi)的工業(yè)機器人裝備也主要依賴進口。因此，無論是在理論和技術上跟蹤國際先進水平，還是在應用上服務國內(nèi)制造業(yè)，進一步研究機器人的關鍵共性理論和技術，找到制約機器人國產(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號焊接機器人作為載體，通過理論研究和實驗驗證相結(jié)合的方式，系統(tǒng)深入地研究了六自由度串聯(lián)機器人的實時逆運動學、軌跡規(guī)劃與優(yōu)化、動力學耦合特性和高

4、精度軌跡跟蹤控制問題，旨在找到工業(yè)機器人國產(chǎn)化的受限因素，并為串聯(lián)機器人的開發(fā)應用提供一套有效的理論和技術解決方案。 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)機器人的發(fā)展歷程及應用現(xiàn)狀，以工業(yè)機器人為重點指出串聯(lián)機器人的核心理論和技術問題，結(jié)合國內(nèi)工業(yè)機器人研究和產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀，闡明本課題的研究意義、研究難點和研究內(nèi)容。 第二章，建立機器人連桿坐標系并獲得D-H參數(shù)，推導機器人正運動學和逆運

5、動學計算公式。由于任務空間的位姿變量和關節(jié)空間的關節(jié)變量具有一對多關系，因此重點解決逆運動學算法的實時性和穩(wěn)定性問題。將機器人的幾何結(jié)構(gòu)從滿足Pieper準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機器人實時逆運動學算法，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)機器人逆運動學問題的高效算法。采用C++實現(xiàn)整套算法，使其可以用于6R機器人實時控制系統(tǒng)。 第三章，建立機器人任務空間和關節(jié)

6、空間軌跡構(gòu)造方法。推導三維空間直線、圓弧、樣條曲線構(gòu)造方程。為實現(xiàn)機器人作業(yè)的柔順性，采用三次樣條曲線構(gòu)造任務空間平滑位置軌跡，采用四元數(shù)球面立體插值方法構(gòu)造任務空間平滑姿態(tài)軌跡。由于機器人各關節(jié)驅(qū)動和傳動部件具有輸出力矩限制和運動平滑性要求，因此，提出一種考慮運動學約束的平滑軌跡規(guī)劃方法，采用B樣條曲線構(gòu)造關節(jié)軌跡，使關節(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。為提高機器人的作業(yè)效率，

7、研究時間最優(yōu)軌跡規(guī)劃，以軌跡執(zhí)行時間作為優(yōu)化目標，將運動學約束轉(zhuǎn)化為B樣條曲線控制頂點約束，采用序列二次規(guī)劃算法搜索最優(yōu)時間節(jié)點，進而規(guī)劃出時間最優(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，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)化算法為機器人快速平穩(wěn)地執(zhí)行作業(yè)任務奠定了基礎。 第四章，討論自主研制的錢江I號焊接機器人及其關鍵技術，包括系統(tǒng)架構(gòu)、機器人本體、嵌入式示教盒軟硬件、主控制器及

8、主控軟件、運動控制器及運動控制軟件、手動焊機數(shù)字化轉(zhuǎn)接模塊。采用拉格朗日功能平衡法推導六自由度串聯(lián)機器人的動力學方程，代入錢江Ⅰ號焊接機器人的結(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，為機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計和驅(qū)動傳動部件的合理選型提供理論依據(jù)，為關節(jié)控制器和軌跡跟蹤控制器的研究設計提供動力學模型。 第五章，首先分析電機驅(qū)動的機器人單關節(jié)控制模型。在Matlab中建立交流伺服電機PID控制模型，以單關節(jié)階躍響應的瞬態(tài)

9、性能和穩(wěn)態(tài)性能作為優(yōu)化指標，采用序列二次規(guī)劃方法分別在單關節(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)進行尋優(yōu)。然后，考慮機器人六關節(jié)聯(lián)動時的動態(tài)、耦合和非線性特性，分別采用模糊自適應PID控制策略和有重力補償?shù)腜ID控制策略提高軌跡跟蹤精度，研究模糊自適應PID控制器對于提高軌跡跟蹤精度的效果，研究完全重力補償PID控制器應用于串聯(lián)機器人的可行性和有效性。 第六章，針對工業(yè)機器人執(zhí)行的作業(yè)任務具有重復性

10、的特點，引入迭代學習控制技術，用于適應工業(yè)機器人重復執(zhí)行作業(yè)任務時重復出現(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。提出一種自適應迭代學習軌跡跟蹤控制器，根據(jù)軌跡跟蹤的誤差和誤差導數(shù)得到學習量，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習控制策略，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達到提高期望軌跡跟蹤精度的目的。在錢江I號焊接機器人系統(tǒng)上進行控制實驗，結(jié)果驗證了輸入迭代學習策略