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水轮机修复机器人关节摩擦的补偿研究

作　者: 李春玲
导　师: 杨萍
学　校: 兰州理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 水轮机修复机器人摩擦补偿轨迹跟踪数字仿真 PD+前馈控制
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2007年
下　载: 141次
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内容摘要

摩擦广泛存在于包括机器人系统在内的一切伺服系统之中。摩擦是一种复杂的、非线性自然现象，它会随着温度和时间的变化而改变。非线性摩擦是造成机器人在低速运行和速度转向时伺服控制系统性能恶化的重要原因。对于做轨迹跟踪的机器人来说，当速度转向时，摩擦会造成机器人较大的跟踪误差和出现极限环振荡。水电站中所使用的水轮机存在严重的空蚀、磨损，需要定期用专用的机器人对叶片表面进行补焊和打磨工作。要求机器人操作方便、响应速度快、控制灵活。关节摩擦被认为是影响机器人高精度工作时不确定性扰动的主要情形之一。因此，在水轮机修复机器人伺服系统中如何有效地辨识和补偿非线性摩擦，对于提高该机器人的焊缝跟踪精度、提高经济效益有十分重要的意义，这也是本文的主要研究内容。首先从摩擦的物理特性出发，详细分析了摩擦力随速度变化的四个阶段，介绍了近年来提出的各类摩擦模型。通过比较最终确定采用Stribeck、LuGre和库仑加粘滞模型作为机器人关节摩擦的补偿模型。分析了机器人在焊接时，其各个关节的功用。采用拉格朗日力学法对影响机器人轨迹跟踪性能较大的后两个关节进行了动力学建模，并计算了相应的参数。选用静态指数模型设计了基于摩擦模型的PD+前馈补偿器，以克服机器人在焊接时由于关节摩擦所造成的较大跟踪误差，数字仿真结果表明补偿后机器人的轨迹跟踪有了很大的提高。以水轮机修复机器人的末端关节为对象，推导了理想状况下关节伺服控制模型，建立了包含传动部件、驱动电机、摩擦非线性因素在内的单关节操作动力学模型。(1)采用能完善描述摩擦动静态因素的LuGre模型，在MATLAB下将其转换为仿真模型，选用适当的参数，估计出摩擦力，然后设计了补偿环节；(2)引入遗传算法在线辨识摩擦模型的系数，根据系统的响应，优化摩擦模型。利用训练好的参数对机器人的关节设计了摩擦力补偿环节；仿真结果验证了补偿的有效性，系统的响应迅速，跟踪性能得到改善，消除了摩擦对系统的影响。

全文目录

目录  5-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
第1章绪论  10-19
  1.1 水轮机修复专用机器人研究现状  10-12
  1.2 水轮机修复机器人的主要性能指标  12
  1.3 影响机器人工作的因素分析  12-13
  1.4 摩擦力补偿方法、方式概述  13-18
    1.4.1 基于模型的摩擦补偿方法  14-16
    1.4.2 基于非模型的补偿方法  16-18
  1.5 课题意义  18
  1.6 论文研究的主要内容  18-19
第2章摩擦特性与摩擦模型  19-30
  2.1 摩擦的分类和原理  19-23
    2.1.1 摩擦的分类  19-20
    2.1.2 摩擦基本原理  20-21
    2.1.3 摩擦的动特性  21-23
  2.2 摩擦模型  23-29
    2.2.1 静态摩擦模型  23-25
    2.2.2 动态模型  25-29
  2.3 本章小结  29-30
第3章基于Stribeck模型的摩擦补偿  30-47
  3.1 机器人的动力学建模  30-38
    3.1.1 水轮机修复机器人的自由度  30-31
    3.1.2 机器人的空间坐标系  31-33
    3.1.3 机器人的动态数学模型  33-38
  3.2 Stribeck摩擦模型  38-39
  3.3 控制算法设计  39-42
    3.3.1 机器人轨迹跟踪算法  39-41
    3.3.2 专用机器人轨迹跟踪控制  41-42
  3.4 仿真分析  42-45
  3.5 本章小结  45-47
第4章机器人末端关节的摩擦补偿  47-69
  4.1 机器人伺服控制系统概述  47-54
    4.1.1 机器人单关节伺服控制理想模型  48-53
    4.1.2 考虑摩擦的机器人单关节伺服控制  53-54
  4.2 控制算法设计  54-56
    4.2.1 摩擦前馈补偿控制的基本思想和方法  55-56
    4.2.2 机器人补偿控制  56
  4.3 摩擦参数辨识  56-58
    4.3.1 静态参数的辨识  57
    4.3.2 动态参数的辨识  57-58
  4.4 LuGre模型补偿仿真  58-59
  4.5 引入遗传算法的补偿  59-63
    4.5.1 GA的特点  60-61
    4.5.2 GA的操作  61-62
    4.5.3 GA的应用步骤  62-63
  4.6 基于GA的摩擦模型参数辨识  63-65
    4.6.1 库仑+粘滞摩擦模型  63-64
    4.6.2 参数辨识过程  64-65
  4.7 仿真比较  65-68
  4.8 本章小结  68-69
结论  69-71
参考文献  71-75
致谢  75-76
附录A 攻读硕士学位期间所发表的学术论文  76-77
附录B 机器人计算程序  77-80

水轮机修复机器人关节摩擦的补偿研究

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