旋轉(zhuǎn)關節(jié)串聯(lián)機器人多軸運動控制技術研究.pdf

1、本課題針對旋轉(zhuǎn)關節(jié)串聯(lián)機器人的多軸運動控制技術展開研究，涉及機器人運動控制系統(tǒng)的設計及相關運動學和動力學控制理論研究。全文共分為七章，各章內(nèi)容安排如下：
　　 第1章，介紹了串聯(lián)機器人多軸運動控制技術的研究背景，綜述了國內(nèi)外多軸運動控制系統(tǒng)的研究與應用現(xiàn)狀，探討了相關研究的關鍵技術，存在的問題及發(fā)展方向。闡明了本課題研究的意義、難點和主要研究內(nèi)容．
　　 第2章，從控制系統(tǒng)的“開放”思想入題，闡述了新一代的機器人多軸運動

2、控制系統(tǒng)的開放性設計思路，全章內(nèi)容的安排分為硬件系統(tǒng)設計和軟件系統(tǒng)設計兩大部分。在硬件系統(tǒng)設計中，首先對典型的控制架構進行了對比研究和總結，然后針對多電機交流伺服控制系統(tǒng)的實際應用需求，設計了以DSP和CPLD為核心且具有標準PCI總線接口的開放式MAMC多軸運動控制系統(tǒng)架構。硬件系統(tǒng)的模塊化設計中詳細介紹了各功能模塊的實施路線，并對硬件電路PCB設計中的抗干擾和散熱處理問題提出了有效的解決方案。軟件系統(tǒng)設計中，采用人機交互層、控制策略

3、層、硬件接口層和伺服控制層的分層模塊式框架構成，詳盡闡述了各子模塊的功能設計和實施方案．以錢江I號六自由度串聯(lián)機器人為對象的實況作業(yè)運動控制驗證了軟硬件系統(tǒng)方案設計和技術實施的有效性。
　　 第3章，首先介紹了串聯(lián)機器人運動學中的三維空間位姿描述、齊次坐標變換、連桿坐標系的建立及連桿D-H參數(shù)定義和齊次變換矩陣。然后以錢江I號六自由度串聯(lián)機器人為例，建立了具有PUMA560典型架構的旋轉(zhuǎn)關節(jié)串聯(lián)機器人的連桿坐標系，并給出了運動學

4、模型。重點研究了該類型串聯(lián)機器人的實時逆運動學求解問題，對逆運動學求解過程中所涉及到的正交矩陣、向量內(nèi)積和四象限反正切函數(shù)等相關數(shù)學性質(zhì)的運用策略做了深入探討，并以此為基礎提出了一種基于向量內(nèi)積的串聯(lián)機器人逆運動學實時求解算法。最后，通過實例求解和對比試驗，驗證了算法的有效性和實時性。
　　 第4章，重點研究串聯(lián)機器人笛卡爾空間和關節(jié)空間軌跡規(guī)劃方法。笛卡爾空間軌跡規(guī)劃研究內(nèi)容包括直線軌跡規(guī)劃、圓弧軌跡規(guī)劃和一般空間軌跡規(guī)劃。針

5、對一般空間軌跡的規(guī)劃，采用三次樣條曲線插值方法得到加速度連續(xù)的平滑軌跡．一利用S加減速規(guī)劃方法獲得“坐標-時間”插值樣點，以確保機器人末端運動過程的流暢。另外，對如何回避笛卡爾空間軌跡規(guī)劃中的奇異形位問題作了探討，介紹了機器人姿態(tài)的四元數(shù)描述和規(guī)劃方法。關節(jié)空間軌跡規(guī)劃研究內(nèi)容中，重點探討了七次B樣條曲線插值方法，使得機器人各關節(jié)角“位置-時間”曲線三階連續(xù)可導，并可根據(jù)需要配置各關節(jié)的起止速度、加速度和加加速度值。最后，以錢江I號六自

6、由度串聯(lián)機器人為控制對象，進行了直線、圓弧和復雜軌跡的運動軌跡實況控制，對上述算法的綜合應用作了實踐和驗證，
　　 第5章，首先闡述了串聯(lián)機器人動力學模型的建立方法，并對基于動力學模型的軌跡跟蹤控制算法研究中所涉及的慣性矩陣、離心力和哥氏力矩陣及重力向量的特性進行了歸納梳理。然后針對傳統(tǒng)全狀態(tài)反饋軌跡跟蹤控制中獲取速度反饋時容易混入噪聲信號等問題，提出一種利用線性一階濾波函數(shù)產(chǎn)生“偽”速度誤差信號以消除實際轉(zhuǎn)速測量的方法，以實現(xiàn)

7、整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制僅需位置反饋。在此基礎上，設計了針對精確動力學模型的位置輸出反饋軌跡跟蹤控制律，并對控制系統(tǒng)進行了嚴格詳盡的穩(wěn)定性分析。最后，通過數(shù)值仿真實例對初始軌跡跟蹤誤差為零和不為零的情況分別對算法進行了驗證。結果表明，本文提出的位置輸出反饋軌跡跟蹤控制算法優(yōu)于傳統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制算法。
　　 第6章，針對機器人運動控制中關節(jié)驅(qū)動器輸出扭矩存在飽和的問題，重點研究了力矩輸入有界的串聯(lián)機器人位置輸出反饋軌跡跟蹤控制方法。提

8、出一類廣義飽和函數(shù)且給出具體實例，并以此為基礎設計了一種極具參考價值的輸入有界的輸出反饋軌跡跟蹤廣義控制律。有別于絕大多數(shù)同類算法，該廣義控制律擁有雙重增益矩陣：PD（比例和微分）增益矩陣和誤差增益矩陣。控制律中引入模糊策略使得PD增益可在線自整定，較大幅度提高了系統(tǒng)的動態(tài)響應性能和抗干擾性能，并可通過適當調(diào)整誤差增益矩陣進一步優(yōu)化軌跡跟蹤性能。特別地，我們還引入了非線性奇異攝動理論，對整個閉環(huán)控制系統(tǒng)作了詳盡的穩(wěn)定性分析，并以此為基礎