多自由度串聯(lián)機器人關(guān)節(jié)摩擦分析與低速高精度運動控制.pdf

1、多自由度串聯(lián)機器人廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、醫(yī)療、航天、海洋等領(lǐng)域。雖然歷經(jīng)數(shù)十年的發(fā)展，其相關(guān)技術(shù)已基本成熟，但從運動控制的角度看，極端情況下的運動控制仍然是個沒有很好解決的問題，如低速高精度控制、高速高精度控制，從而導(dǎo)致機器人在很多特殊工況的應(yīng)用受到較大限制。本文針對多自由度串聯(lián)機器人低速高精度運動控制的問題開展研究，在機器人結(jié)構(gòu)確定的情況下，主要從關(guān)節(jié)摩擦建模與補償、提高速度信號品質(zhì)、設(shè)計高精度運動控制策略這三個角度出發(fā)來提升低速運動

2、的性能。
　　本文首先介紹相關(guān)研究背景，全面分析影響機器人低速運動性能的幾方面因素，包括系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、測量元件分辨率、非線性環(huán)節(jié)的影響、控制系統(tǒng)的性能等，而結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化、低速下高品質(zhì)速度信號獲取方法、非線性摩擦建模與補償，以及高級運動控制策略設(shè)計是目前幾個主要研究方向。
　　設(shè)計基于動力學(xué)模型的運動控制器是提高低速運動控制精度及平穩(wěn)性的有效途徑。該方法的前提是已知機器人的動力學(xué)模型及參數(shù)值。因而，本文第二章在動力學(xué)建模的基

3、礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了一種在閉環(huán)控制下進行的離線辨識方法來獲取機器人的動力學(xué)參數(shù)。該方法針對傳統(tǒng)傅里葉級數(shù)不滿足速度、加速度邊界條件的缺陷，提出一種改進傅里葉級數(shù)作為激勵軌跡。為提升抗噪聲能力，以最小化觀測矩陣條件數(shù)作為優(yōu)化準(zhǔn)則，采用遺傳算法來優(yōu)化激勵軌跡系數(shù)。進一步，采用最大似然法作為參數(shù)估計方法，以便考慮測量噪聲的影響。
　　在諸多非線性環(huán)節(jié)中，關(guān)節(jié)摩擦是影響低速運動性能的核心因素，有必要作深入分析。在機器人系統(tǒng)中，廣泛采用RV減

4、速器與諧波減速器作為傳動元件，本文的第三章對RV驅(qū)動與諧波驅(qū)動這兩種典型關(guān)節(jié)的摩擦來源、摩擦測量方法、摩擦特征、建模及辨識方法進行了系統(tǒng)研究。對于RV驅(qū)動大慣量關(guān)節(jié)，分析了不同負(fù)載力矩下摩擦參數(shù)的變化規(guī)律，并基于傳統(tǒng)指數(shù)模型，提出一種擴展摩擦模型以補充描述負(fù)載力矩的影響。對于諧波驅(qū)動關(guān)節(jié)，為描述摩擦隨輸入角位置變化而周期性波動的現(xiàn)象，采用快速傅里葉變換對摩擦數(shù)據(jù)作頻域分析，提取主導(dǎo)頻率成分。提出采用指數(shù)模型+正余弦函數(shù)的組合形式來描述關(guān)

5、節(jié)摩擦特性。
　　機器人系統(tǒng)中，高品質(zhì)的關(guān)節(jié)角速度信號對于補償非線性摩擦的影響、設(shè)計基于全狀態(tài)反饋的控制器等具有重要的意義。因而在研究補償控制算法之前，需要設(shè)計一種有效的速度估計方法。針對低速下量化誤差及測量噪聲對速度估計精度產(chǎn)生較大影響的問題，本文探討了非線性跟蹤微分器在實時速度估計中的應(yīng)用（第四章）。非線性跟蹤微分器具有實現(xiàn)便捷、參數(shù)整定簡單、不依賴于對象模型的優(yōu)點，非常適合于機器人系統(tǒng)。
　　在第二、三章建模及參數(shù)辨識

6、的基礎(chǔ)上，設(shè)計基于模型的補償控制算法可以明顯改善低速運動性能。對于RV驅(qū)動關(guān)節(jié)，為克服固定補償難以處理摩擦不確定性的弱點，控制器設(shè)計時利用了自適應(yīng)控制在線學(xué)習(xí)的能力。首先，通過引入模糊邏輯系統(tǒng)逼近關(guān)節(jié)摩擦，并實現(xiàn)模糊模型的線性化以便設(shè)計自適應(yīng)學(xué)習(xí)機制。在此基礎(chǔ)上，提出一種模糊自適應(yīng)魯棒控制算法。對于諧波驅(qū)動關(guān)節(jié)，其摩擦具有隨角位置周期性波動的特征，非線性強，難以變換為合理的線性形式，自適應(yīng)控制并不適用。考慮到當(dāng)不確定性在一定范圍內(nèi)變化時

7、，魯棒控制能夠保證系統(tǒng)穩(wěn)定且維持一定的性能指標(biāo)，因而提出一種具有摩擦補償?shù)聂敯艨刂破鳌?br>　　當(dāng)關(guān)節(jié)數(shù)目較多(＞3)時，由于模型復(fù)雜度、計算量、參數(shù)辨識難度的急劇增加，第五章提出的基于模型的控制策略將難以應(yīng)用。對模型依賴度度低、實時性強、實現(xiàn)便捷的控制器更受工程人員的青睞。因而第六章在開展多關(guān)節(jié)聯(lián)動低速控制問題的研究時，以設(shè)計對模型依賴程度低或獨立于模型的控制算法為目標(biāo)。首先在交流伺服系統(tǒng)三閉環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，設(shè)計了具有摩擦前饋的模糊