近年來,國內(nèi)人力資源成本不斷上升,國內(nèi)大型企業(yè)紛紛引入工業(yè)機(jī)器人代替人力做一些繁復(fù)沉重的重復(fù)性工作,但這些大型企業(yè)多采用的是國外一些知名機(jī)器人制造商生產(chǎn)的機(jī)械臂;而對于中小企業(yè)來講,引入國外廠商機(jī)械臂的購買和維護(hù)成本太高,研發(fā)生產(chǎn)適合于我們自己使用的工業(yè)機(jī)械臂具有十分現(xiàn)實(shí)的意義。在國內(nèi),實(shí)際投入使用的機(jī)械臂中,就使用數(shù)量而言,四軸機(jī)器人排在第一位,其中平面關(guān)節(jié)型SCARA機(jī)械臂是使用非常廣泛的一類。本文選擇SCARA機(jī)械臂為本文的主要研究對象,主要對其控制器進(jìn)行研究。迭代學(xué)習(xí)控制算法是于20世紀(jì)80年代提出的一種控制算法,它本身就是以機(jī)械臂的控制為背景提出的;迭代學(xué)習(xí)控制算法在進(jìn)行控制時(shí)不需要知道被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)信息,而是經(jīng)過不斷的重復(fù)學(xué)習(xí)來習(xí)得被控對象的各種信息,它十分適用于對機(jī)械臂這種強(qiáng)耦合非線性且具有各種未知擾動的動力學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行控制。針對選定的研究對象SCARA機(jī)械臂,本文基于迭代學(xué)習(xí)控制提出了軌跡跟蹤控制算法,以提高機(jī)械臂的軌跡跟蹤控制精度,本文所做的主要工作如下:(1)對SCARA機(jī)械臂進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析,得到了其工作空間和拉格朗日動力學(xué)方程,并對其進(jìn)行運(yùn)動軌跡規(guī)劃得到期望目標(biāo)軌跡。(2)對迭代學(xué)習(xí)控制算法的基本原理、適用性條件、學(xué)習(xí)律以及收斂性分析方法進(jìn)行了深入的研究與分析。(3)研究提出了變增益迭代學(xué)習(xí)控制算法,使用MATLAB對提出的變增益迭代學(xué)習(xí)控制算法和一般的PD型迭代學(xué)習(xí)控制算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),仿真實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果證明了變增益算法的有效性、優(yōu)越性;另外,還針對帶不同負(fù)載和不確定量的機(jī)械臂動力學(xué)模型進(jìn)行了變增益迭代學(xué)習(xí)算法的仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提出算法的魯棒性與適應(yīng)性。(4)研究提出了自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)控制算法,證明了其穩(wěn)定性和收斂性,使用MATLAB對算法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn),與變增益迭代學(xué)習(xí)控制的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比顯示自適應(yīng)控制算法的控制精度更高、控制效果更好。文中也針對帶不同負(fù)載和不確定量的機(jī)械臂動力學(xué)模型進(jìn)行了自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)算法的仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了自適應(yīng)迭代學(xué)習(xí)算法的魯棒性和自適應(yīng)性。文中仿真實(shí)驗(yàn)使用的均是SCARA機(jī)械臂的動力學(xué)模型,期望軌跡是在SCARA機(jī)械臂的工作空間中進(jìn)行運(yùn)動軌跡規(guī)劃得到的。
【學(xué)位單位】：東華大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2020
【中圖分類】：TP241
【部分圖文】：

基于迭代學(xué)習(xí)算法的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制研究3最多的工業(yè)機(jī)器人是四軸機(jī)器人，排第二位的是串聯(lián)關(guān)節(jié)型垂直六軸機(jī)器人。目前，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人的主要工作范圍為焊接、裝配、噴涂[4]、零件放置、注塑、搬運(yùn)、碼垛、沖壓[1][4]等具有重復(fù)性質(zhì)的操作。1.2.2機(jī)械臂的控制原理與技術(shù)機(jī)械臂的工作原理如下圖所示：圖1-1機(jī)械臂的工作原理機(jī)械臂主要由人機(jī)交互裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、位置檢測裝置[10]構(gòu)成，整個(gè)控制過程是由人通過人機(jī)交互界面發(fā)出控制指令（即期望機(jī)械臂執(zhí)行的運(yùn)行任務(wù)），控制系統(tǒng)通過內(nèi)置算法計(jì)算相應(yīng)的控制量，輸出給驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動運(yùn)行機(jī)構(gòu)和末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)做出與期望目標(biāo)相近的動作（理想情況下就是期望動作）。運(yùn)行機(jī)構(gòu)由連桿（手臂）、關(guān)節(jié)（手腕）構(gòu)成，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)執(zhí)行任務(wù)的不同而有不同的形式，如分揀機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為抓取裝置（手爪），噴涂機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為噴涂裝置，弧焊機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)為焊接裝置。驅(qū)動系統(tǒng)是使機(jī)械臂運(yùn)動起來的動力源，不同機(jī)械臂使用的驅(qū)動方式有所不同，但一般使用的驅(qū)動方式有三類：氣壓傳動、液壓傳動和馬達(dá)（電氣）傳動。位置檢測裝置的主要部件是各類傳感器，它將檢測到的位置信息傳送到控制系統(tǒng)當(dāng)中，控制系統(tǒng)根據(jù)給定的期望指令和實(shí)際的位置信息來進(jìn)行誤差計(jì)算和控制量的調(diào)整，從而準(zhǔn)確地使驅(qū)動裝置驅(qū)動各個(gè)關(guān)節(jié)做出相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)或平移；在現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)械臂中，位置檢測裝置用的較多是光電編碼器。力檢測裝置主要是對末端執(zhí)行器與外界接觸的力的大小進(jìn)行檢測，主要用于對與外界接觸力的大小要求比較嚴(yán)苛的機(jī)器人系統(tǒng)。根據(jù)不同的控制要求和檢測裝置檢測變量的不同，機(jī)械臂的控制方式可分為三大類：位置控制、力控制和力位混合控制[11]

基于迭代學(xué)習(xí)算法的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制研究5中研究最廣泛、最成熟的主題，對學(xué)習(xí)律的研究主要是進(jìn)行學(xué)習(xí)律的收斂條件分析、提出新的學(xué)習(xí)算法、加快算法的收斂速度、研究不同的迭代學(xué)習(xí)律和各種組合形式的迭代學(xué)習(xí)律，對不同結(jié)構(gòu)（開環(huán)、閉環(huán)、開閉環(huán)結(jié)合）的控制系統(tǒng)進(jìn)行研究分析等，此外還有對一些特殊的被控系統(tǒng)提出的學(xué)習(xí)律。穩(wěn)定性和收斂性是保證迭代學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)能夠成功運(yùn)行的前提條件，穩(wěn)定性使得控制系統(tǒng)隨著迭代次數(shù)的增加不發(fā)散，收斂性使得控制系統(tǒng)隨著迭代次數(shù)的增加最終收斂到期望目標(biāo)附近[16]。因此，進(jìn)行穩(wěn)定性和收斂性分析是提出新算法必須解決的首要問題。魯棒性研究是分析在存在外界干擾、測量誤差、被控系統(tǒng)內(nèi)部狀態(tài)變化等擾動時(shí)，控制過程是否依舊穩(wěn)定和收斂，即分析控制系統(tǒng)的抗干擾性、強(qiáng)健性。初始值問題主要是進(jìn)行被控系統(tǒng)的初始狀態(tài)與控制過程收斂性關(guān)系的研究，大部分迭代學(xué)習(xí)控制算法都要求被控系統(tǒng)的初始狀態(tài)與期望目標(biāo)軌跡的初始狀態(tài)相同，這樣才能使學(xué)習(xí)算法收斂，然而在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中，被控系統(tǒng)的初始狀態(tài)往往不在期望軌跡上，因此有很多學(xué)者研究分析該問題，但并沒有通用的解決方法出現(xiàn)，初始值問題還是一個(gè)有待研究的方向。1.4論文主要工作與內(nèi)容安排圖1-2主要研究內(nèi)容本文的主要工作和研究內(nèi)容如上圖所示，主要分為三個(gè)方面：（1）理論研究——迭代學(xué)習(xí)控制學(xué)習(xí)律的研究，算法的收斂性分析；自適應(yīng)控制律的設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性、收斂性分析；

基于迭代學(xué)習(xí)算法的機(jī)械臂軌跡跟蹤控制研究7第二章迭代學(xué)習(xí)控制原理2.1迭代學(xué)習(xí)控制的基本思想迭代學(xué)習(xí)控制的基本原理如下圖所示：圖2-1迭代學(xué)習(xí)控制的基本原理框圖由原理圖就可以看出，迭代學(xué)習(xí)控制每一次新的迭代都是在前一次迭代控制器輸出的基礎(chǔ)上，加入系統(tǒng)輸出誤差修正項(xiàng)從而得到本次的控制器輸出。迭代學(xué)習(xí)控制從根本性質(zhì)上講是一個(gè)二維的控制過程，即包括兩個(gè)方向上的控制：時(shí)間軸上的控制和迭代軸上的控制。在進(jìn)行迭代學(xué)習(xí)控制算法的數(shù)學(xué)描述時(shí)，可以用兩個(gè)變量分別描述出這兩個(gè)方向的控制，時(shí)間變量用來體現(xiàn)時(shí)間動態(tài)過程，迭代次數(shù)用來體現(xiàn)迭代學(xué)習(xí)動態(tài)過程。迭代學(xué)習(xí)控制主要適用和使用于重復(fù)運(yùn)行的控制任務(wù)和控制過程，在每一次迭代過程中，迭代控制器根據(jù)時(shí)間軸上的誤差來調(diào)整誤差修正量，在迭代過程與迭代過程之間，控制器又將上一次的控制輸出加入到整體控制輸出量中，從而綜合利用了兩個(gè)獨(dú)立動態(tài)過程的信息，達(dá)到不斷逼近期望輸出的目的[16]。一個(gè)被控對象的狀態(tài)方程可描述為以下形式：=,,=(,,)（2-1）式中，,,()分別為被控系統(tǒng)的狀態(tài)變量、輸出變量和控制輸入變量[11]，函數(shù)()和()為描述被控系統(tǒng)的適當(dāng)維數(shù)的向量函數(shù)。如果已經(jīng)給定了期望的被控系統(tǒng)輸出函數(shù)()，且對應(yīng)的期望狀態(tài)量()和期望控制輸入量()存在，則迭代學(xué)習(xí)控制的目標(biāo)為在給定的時(shí)間t,內(nèi)，由設(shè)定好的學(xué)習(xí)控制算法計(jì)算控制輸出，經(jīng)過次重復(fù)學(xué)習(xí)，使得控制
【參考文獻(xiàn)】

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