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面向动态性能的工业机器人控制技术研究

【摘要】:随着工业机器人在机械加工、汽车制造、装配和物流码垛等自动化生产领域的广泛应用,对机器人工作效率、响应速度、轨迹跟踪精度和稳定时间等动态性能提出越来越高的要求。为提高机器人动态性能,本文建立了码垛机器人动力学模型;并以此为基础分别从机器人驱动系统设计,基于线性化动力学模型机器人控制器设计和机器人抑制振动方法三个方面开展相关问题研究;此外基于工业计算机和高速通讯总线的机器人控制系统结构设计等关键技术研究并进行了相应性能测试与实验。本文首先建立了码垛机器人运动学和刚体动力学模型。在刚体动力学方程基础上,采用集中参数法同时考虑关节柔性和连杆柔性建立了机器人刚柔耦合动力学方程。根据机器人刚柔耦合动力学方程的特点,在求解逆动力学过程中将机器人运动学方程作为约束条件,将原有的非线性微分方程扩展为具有代数方程约束的微分代数方程。代数方程的引入提高了逆动力学求解的合理性和准确性,所求解状态变量不仅满足动力学方程而且符合机器人运动学约束。通过对代数方程约束进行微分并引入虚拟变量,降低刚柔耦合动力学方程的微分指标进而降低了方程的求解难度。将微分代数方程求解问题转化为非线性微分方程初值问题进行求解。为设计机器人驱动系统,首先分析机器人驱动系统元件属性对机器人整体性能的影响。根据机器人性能设计需求,建立以机器人工作效率和固有振动频率为目标函数,以电机峰值和额定转矩、减速器寿命以及负载自重比等指标为约束条件的优化模型。为解决离散变量优化问题,建立离散优化变量与系统属性特征之间的映射关系。通过动力学仿真结果计算相应的性能指标和约束函数条件,并利用混合变量遗传算法求解离散变量优化问题。结果表明整个优化模型和优化方法可行,相应动态性能均得到有效的提升。为抑制机器人振动,根据机器人振动形式,将机器人振动分为残余振动和运动过程中振动两种。首先,分析机器人在停止时刻的残余振动特性,将其运动表述为自由振动状态下的振动方程。根据模态分析理论得出振动方程时域响应表达式,将机器人残余振动的主要因素归结为运动停止时刻轨迹的位置和速度误差。然后,从控制系统角度将参考轨迹有可能引起机器人运动过程中振动的因素归结为:起始点和终点轨迹的连续性以及轨迹自身频率特性。根据上述分析,基于柔性关节动力学方程,构造性能指标函数,将残余振动抑制运动规划问题视为泛函极值求解问题。基于Pontryagin最大值原理将泛函极值问题转换为常微分方程组边界值求解问题。为减小机器人运动过程中振动,在起始点和终止点速度,加速度边界连续的条件下采用傅里叶级数对最优计算得到的轨迹进行曲线拟合。在保证拟合精度的前提下尽可能降低前馈转矩包含的高频谐波分量,减小激励机器人自身固有频率的可能。结果表明,提出的机器人振动抑制轨迹规划策略可以有效降低机器人残余振动幅度和时间,并减小运动过程中关节的柔性变形。在基于线性化动力学模型的机器人控制器设计方面,首先分析柔性关节机器人动力学模型在整个工作空间的非线性特性,采用高阶奇异值分解方法建立机器人凸多面体模型。通过数值计算和闭环仿真两种方式验证获得的凸多面体模型能够在工作空间内准确地描述非线性的柔性关节机器人非线性动力学特性。基于反馈线性化控制器设计方法和最优控制理论,通过求解凸多面体模型顶点对应Riccati方程组的公共正定解,将最优控制问题转化为线性矩阵不等式组求解问题,通过求解对应的线性矩阵不等式组得到最优的变增益控制器。仿真结果表明,采用最优变增益控制可以有效降低机器人柔性关节变形,提高轨迹跟踪精度。在码垛机器人控制系统具体工程实现方面,首先对运动控制系统进行任务分解,基于运动控制状态机编写了机器人底层控制软件架构。在此基础上设计基于高性能PPC、实时系统和高速通讯总线的机器人控制系统。根据国家工业机器人测试标准对实验样机进行了重复精度和动态性能测试,验证本文部分控制算法在工程实际中的有效性。

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