面向動(dòng)態(tài)性能的工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)研究.pdf

1、隨著工業(yè)機(jī)器人在機(jī)械加工、汽車制造、裝配和物流碼垛等自動(dòng)化生產(chǎn)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人工作效率、響應(yīng)速度、軌跡跟蹤精度和穩(wěn)定時(shí)間等動(dòng)態(tài)性能提出越來(lái)越高的要求。為提高機(jī)器人動(dòng)態(tài)性能，本文建立了碼垛機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型；并以此為基礎(chǔ)分別從機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，基于線性化動(dòng)力學(xué)模型機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)和機(jī)器人抑制振動(dòng)方法三個(gè)方面開展相關(guān)問(wèn)題研究；此外基于工業(yè)計(jì)算機(jī)和高速通訊總線的機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)研究并進(jìn)行了相應(yīng)性能測(cè)試與實(shí)驗(yàn)。
　

2、　本文首先建立了碼垛機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)和剛體動(dòng)力學(xué)模型。在剛體動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上，采用集中參數(shù)法同時(shí)考慮關(guān)節(jié)柔性和連桿柔性建立了機(jī)器人剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程。根據(jù)機(jī)器人剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程的特點(diǎn)，在求解逆動(dòng)力學(xué)過(guò)程中將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)方程作為約束條件，將原有的非線性微分方程擴(kuò)展為具有代數(shù)方程約束的微分代數(shù)方程。代數(shù)方程的引入提高了逆動(dòng)力學(xué)求解的合理性和準(zhǔn)確性，所求解狀態(tài)變量不僅滿足動(dòng)力學(xué)方程而且符合機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)約束。通過(guò)對(duì)代數(shù)方程約束進(jìn)行微分并引入虛擬變

3、量，降低剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)方程的微分指標(biāo)進(jìn)而降低了方程的求解難度。將微分代數(shù)方程求解問(wèn)題轉(zhuǎn)化為非線性微分方程初值問(wèn)題進(jìn)行求解。
　　為設(shè)計(jì)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，首先分析機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)元件屬性對(duì)機(jī)器人整體性能的影響。根據(jù)機(jī)器人性能設(shè)計(jì)需求，建立以機(jī)器人工作效率和固有振動(dòng)頻率為目標(biāo)函數(shù)，以電機(jī)峰值和額定轉(zhuǎn)矩、減速器壽命以及負(fù)載自重比等指標(biāo)為約束條件的優(yōu)化模型。為解決離散變量?jī)?yōu)化問(wèn)題，建立離散優(yōu)化變量與系統(tǒng)屬性特征之間的映射關(guān)系。通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)

4、果計(jì)算相應(yīng)的性能指標(biāo)和約束函數(shù)條件，并利用混合變量遺傳算法求解離散變量?jī)?yōu)化問(wèn)題。結(jié)果表明整個(gè)優(yōu)化模型和優(yōu)化方法可行，相應(yīng)動(dòng)態(tài)性能均得到有效的提升。
　　為抑制機(jī)器人振動(dòng)，根據(jù)機(jī)器人振動(dòng)形式，將機(jī)器人振動(dòng)分為殘余振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)兩種。首先，分析機(jī)器人在停止時(shí)刻的殘余振動(dòng)特性，將其運(yùn)動(dòng)表述為自由振動(dòng)狀態(tài)下的振動(dòng)方程。根據(jù)模態(tài)分析理論得出振動(dòng)方程時(shí)域響應(yīng)表達(dá)式，將機(jī)器人殘余振動(dòng)的主要因素歸結(jié)為運(yùn)動(dòng)停止時(shí)刻軌跡的位置和速度誤差。然后，

5、從控制系統(tǒng)角度將參考軌跡有可能引起機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)的因素歸結(jié)為：起始點(diǎn)和終點(diǎn)軌跡的連續(xù)性以及軌跡自身頻率特性。根據(jù)上述分析，基于柔性關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)方程，構(gòu)造性能指標(biāo)函數(shù)，將殘余振動(dòng)抑制運(yùn)動(dòng)規(guī)劃問(wèn)題視為泛函極值求解問(wèn)題?；赑ontryagin最大值原理將泛函極值問(wèn)題轉(zhuǎn)換為常微分方程組邊界值求解問(wèn)題。為減小機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中振動(dòng)，在起始點(diǎn)和終止點(diǎn)速度，加速度邊界連續(xù)的條件下采用傅里葉級(jí)數(shù)對(duì)最優(yōu)計(jì)算得到的軌跡進(jìn)行曲線擬合。在保證擬合精度的前提

6、下盡可能降低前饋轉(zhuǎn)矩包含的高頻諧波分量，減小激勵(lì)機(jī)器人自身固有頻率的可能。結(jié)果表明，提出的機(jī)器人振動(dòng)抑制軌跡規(guī)劃策略可以有效降低機(jī)器人殘余振動(dòng)幅度和時(shí)間，并減小運(yùn)動(dòng)過(guò)程中關(guān)節(jié)的柔性變形。
　　在基于線性化動(dòng)力學(xué)模型的機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)方面，首先分析柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型在整個(gè)工作空間的非線性特性，采用高階奇異值分解方法建立機(jī)器人凸多面體模型。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和閉環(huán)仿真兩種方式驗(yàn)證獲得的凸多面體模型能夠在工作空間內(nèi)準(zhǔn)確地描述非線性的柔性

7、關(guān)節(jié)機(jī)器人非線性動(dòng)力學(xué)特性?；诜答伨€性化控制器設(shè)計(jì)方法和最優(yōu)控制理論，通過(guò)求解凸多面體模型頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)Riccati方程組的公共正定解，將最優(yōu)控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式組求解問(wèn)題，通過(guò)求解對(duì)應(yīng)的線性矩陣不等式組得到最優(yōu)的變?cè)鲆婵刂破鳌７抡娼Y(jié)果表明，采用最優(yōu)變?cè)鲆婵刂瓶梢杂行Ы档蜋C(jī)器人柔性關(guān)節(jié)變形，提高軌跡跟蹤精度。
　　在碼垛機(jī)器人控制系統(tǒng)具體工程實(shí)現(xiàn)方面，首先對(duì)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行任務(wù)分解，基于運(yùn)動(dòng)控制狀態(tài)機(jī)編寫了機(jī)器人底層控制軟件