面向動(dòng)態(tài)性能的工業(yè)機(jī)器人控制技術(shù)研究
本文選題：工業(yè)機(jī)器人 切入點(diǎn)：剛?cè)狁詈夏Ｐ?/strong> 出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2015年博士論文 論文類型：學(xué)位論文
【摘要】：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)。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。通過對(duì)代數(shù)方程約束進(jìn)行微分并引入虛擬變量,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)方程求解問題轉(zhuǎn)化為非線性微分方程初值問題進(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。通過動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)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,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)劃問題視為泛函極值求解問題�；赑ontryagin最大值原理將泛函極值問題轉(zhuǎn)換為常微分方程組邊界值求解問題。為減小機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中振動(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)控制問題轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式組求解問題,通過求解對(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)器人底層控制軟件架構(gòu)。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)基于高性能PPC、實(shí)時(shí)系統(tǒng)和高速通訊總線的機(jī)器人控制系統(tǒng)。根據(jù)國家工業(yè)機(jī)器人測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)對(duì)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)進(jìn)行了重復(fù)精度和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試,驗(yàn)證本文部分控制算法在工程實(shí)際中的有效性。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP242.2
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，本文編號(hào)：1592848
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