旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)研究.pdf

1、本課題針對(duì)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人的多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)展開研究，涉及機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)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(jī)器人多軸運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的研究背景，綜述了國內(nèi)外多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀，探討了相關(guān)研究的關(guān)鍵技術(shù)，存在的問題及發(fā)展方向。闡明了本課題研究的意義、難點(diǎn)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(jī)器人多軸運(yùn)動(dòng)

2、控制系統(tǒng)的開放性設(shè)計(jì)思路，全章內(nèi)容的安排分為硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩大部分。在硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先對(duì)典型的控制架構(gòu)進(jìn)行了對(duì)比研究和總結(jié)，然后針對(duì)多電機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)了以DSP和CPLD為核心且具有標(biāo)準(zhǔn)PCI總線接口的開放式MAMC多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)架構(gòu)。硬件系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)中詳細(xì)介紹了各功能模塊的實(shí)施路線，并對(duì)硬件電路PCB設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中，采用人機(jī)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(gòu)成，詳盡闡述了各子模塊的功能設(shè)計(jì)和實(shí)施方案．以錢江I號(hào)六自由度串聯(lián)機(jī)器人為對(duì)象的實(shí)況作業(yè)運(yùn)動(dòng)控制驗(yàn)證了軟硬件系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)和技術(shù)實(shí)施的有效性。
　　 第3章，首先介紹了串聯(lián)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)中的三維空間位姿描述、齊次坐標(biāo)變換、連桿坐標(biāo)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(hào)六自由度串聯(lián)機(jī)器人為例，建立了具有PUMA560典型架構(gòu)的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)器人的連桿坐標(biāo)系，并給出了運(yùn)動(dòng)學(xué)

4、模型。重點(diǎn)研究了該類型串聯(lián)機(jī)器人的實(shí)時(shí)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解問題，對(duì)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)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(guān)數(shù)學(xué)性質(zhì)的運(yùn)用策略做了深入探討，并以此為基礎(chǔ)提出了一種基于向量內(nèi)積的串聯(lián)機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)實(shí)時(shí)求解算法。最后，通過實(shí)例求解和對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了算法的有效性和實(shí)時(shí)性。
　　 第4章，重點(diǎn)研究串聯(lián)機(jī)器人笛卡爾空間和關(guān)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(duì)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(biāo)-時(shí)間”插值樣點(diǎn)，以確保機(jī)器人末端運(yùn)動(dòng)過程的流暢。另外，對(duì)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(jī)器人姿態(tài)的四元數(shù)描述和規(guī)劃方法。關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃研究內(nèi)容中，重點(diǎn)探討了七次B樣條曲線插值方法，使得機(jī)器人各關(guān)節(jié)角“位置-時(shí)間”曲線三階連續(xù)可導(dǎo)，并可根據(jù)需要配置各關(guān)節(jié)的起止速度、加速度和加加速度值。最后，以錢江I號(hào)六自

6、由度串聯(lián)機(jī)器人為控制對(duì)象，進(jìn)行了直線、圓弧和復(fù)雜軌跡的運(yùn)動(dòng)軌跡實(shí)況控制，對(duì)上述算法的綜合應(yīng)用作了實(shí)踐和驗(yàn)證，
　　 第5章，首先闡述了串聯(lián)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型的建立方法，并對(duì)基于動(dòng)力學(xué)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(jìn)行了歸納梳理。然后針對(duì)傳統(tǒng)全狀態(tài)反饋軌跡跟蹤控制中獲取速度反饋時(shí)容易混入噪聲信號(hào)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(hào)以消除實(shí)際轉(zhuǎn)速測量的方法，以實(shí)現(xiàn)

7、整個(gè)系統(tǒng)的閉環(huán)控制僅需位置反饋。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了針對(duì)精確動(dòng)力學(xué)模型的位置輸出反饋軌跡跟蹤控制律，并對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行了嚴(yán)格詳盡的穩(wěn)定性分析。最后，通過數(shù)值仿真實(shí)例對(duì)初始軌跡跟蹤誤差為零和不為零的情況分別對(duì)算法進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)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(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制中關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器輸出扭矩存在飽和的問題，重點(diǎn)研究了力矩輸入有界的串聯(lián)機(jī)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(shí)例，并以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一種極具參考價(jià)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?？刂坡芍幸肽：呗允沟肞D增益可在線自整定，較大幅度提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和抗干擾性能，并可通過適當(dāng)調(diào)整誤差增益矩陣進(jìn)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(dòng)理論，對(duì)整個(gè)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(chǔ)