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六自由度工业机器人运动与控制技术的研究

作　者: 孙开林
导　师: 王宪
学　校: 江南大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: 机器人运动学 S曲线 B样条函数轨迹规划模糊滑模控制器
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

在当今21世纪,机器人产品得到了更大的普及,其性能的提高对社会的发展有着巨大的推动作用,也引起越来越多的科研机构对机器人技术进行创新和改造。本论文根据项目需求,在课题组已经研发的基于嵌入式平台的六自由度工业机器人控制器基础上,为满足实际应用中的操作要求,进一步提高机器人焊接过程的平滑性、稳定性以及精确性,对运动学和动力学中的一些关键技术进行了分析和研究。正、逆运动学的求解是机器人轨迹规划的基础,本文首先采用标准D-H法对六自由度关节机器人的机构和运动学进行分析,推导出正逆运动学变换的公式。机器末端的轨迹是由关节轴的各电机协调运动实现的,如果关节的运动轨迹与速度曲线不平滑,将会给机器人带来抖动和噪声等系列问题,从而影响机器人的使用寿命,本文研究了轨迹规划曲线特性的主要指标,指出了轨迹规划曲线的高阶导数要连续,同时要保证使规划出的曲线不仅要位移、速度、加速度连续,而且还需尽可能使得加加速度连续。机器人的末端轨迹最终需要转换到关节空间进行,在机器人的轨迹规划中,对曲线的插补操作是难点与核心问题,同时也是国外各大公司重点保密的技术,插补算法的稳定性和算法优劣直接关系到机器人操作的好坏,因此对插补算法的研究是机器人研究工作中不可回避的问题。本文提出了一种插补前加减速控制方法,首先规划出一种笛卡尔空间的S型加减速曲线进行速度控制,发挥插补前加减速控制位置精确的优势,然后根据速度和插补周期在S型曲线上选取各个插补中间节点并将各个节点位置转换到机器人各个关节需要达到的角度,最后在关节空间对各个关节角度采用连续性好、精度高的三次B样条进行轨迹拟合,以满足机器人的高性能的速度控制要求。机器人系统是一个高度复杂、强耦合的非线性系统,在机器人建模时总是存在误差、各种扰动和一些未知参数等不确定性,运动时机器人系统惯量会随着姿态的改变而改变。由于多关节刚性机器人模型结构的复杂性,使其在复杂的条件下的高速、高精度稳定控制存在许多有待解决的问题。本文提出一种不确定性工业机器人轨迹跟踪控制的自适应滑模算法,利用滑模算法较强的鲁棒性提高系统对摩擦﹑负载变化及参数摄动等不确定非线性因素的抗干扰能力,并针对变结构控制以高频抖振换取系统对不确定因素不变性的固有缺点,采用自适应算法调整机器人系统的未知参数,再结合模糊控制系统对任意连续函数精确逼近能力,可以实现对滑模控制中增益切换的自适应逼近,从而消除抖振达到平稳精确运行的目的。机器人系统不确定死区的存在给高精度的控制造成了误差,本文针对机器人系统中的未知死区,采用自适应策略在线辨识系统参数和死区宽度,并采用模糊死区补偿策略对死区加以补偿,同时对于机器人系统中外部的不确定性干

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
第一章绪论  8-16
  1.1 课题的来源、目的和意义  8-9
  1.2 国内外机器人发展现状  9-13
    1.2.1 国外机器人发展现状  10-11
    1.2.2 国内机器人发展现状  11-12
    1.2.3 国内外机器人算法研究发展  12-13
  1.3 论文的主要研究内容安排  13-16
第二章工业机器人轨迹规划研究  16-34
  2.1 工业机器人的运动学分析  16-23
    2.1.1 运动学模型建立  16-19
    2.1.2 工业机器人正运动学研究  19-20
    2.1.3 工业机器人逆运动学研究  20-23
  2.2 工业机器人的笛卡尔空间运动  23-25
    2.2.1 点到点的运动  23-24
    2.2.2 轨迹跟踪运动  24-25
  2.3 工业机器人加减速控制研究  25-30
    2.3.1 工业机器人加减速曲线特性分析  25-26
    2.3.2 加减速控制方法分析  26
    2.3.3 工业机器人S型曲线规划方法  26-27
    2.3.4 工业机器人S型曲线参数分析与计算  27-28
    2.3.5 笛卡尔空间S曲线规划和关节插补算法的关系  28
    2.3.6 关节空间组合函数插补算法分析  28-30
  2.4 工业机器人关节空间B样条插补算法研究  30-33
    2.4.1 B样条介绍  30-32
    2.4.2 三次B样条插补算法验证  32-33
  2.5 本章小结  33-34
第三章机器人关节控制器参数调整研究  34-48
  3.1 工业机器人动力学建模分析  34-40
    3.1.1 机器人动力学方程推导  34-37
    3.1.2 工业机器人结构特性分析  37-40
  3.2 伺服电机驱动器分析  40-43
    3.2.1 伺服驱动的控制回路  40-41
    3.2.2 伺服驱动器PID调节规律  41-43
  3.3 伺服驱动器相关参数的设定  43-45
  3.4 工业机器人关节伺服驱动器参数调整  45-47
    3.4.1 伺服驱动器速度控制特性调整  45-46
    3.4.2 伺服驱动器位置特性调整  46-47
  3.5 本章小结  47-48
第四章工业机器人轨迹跟踪控制方法研究  48-64
  4.1 机器人系统控制介绍  48
  4.2 自适应模糊滑模算法在不确定机器人中的研究  48-55
    4.2.1 不确定机器人动力学方程  49
    4.2.2 滑模控制器设计  49-50
    4.2.3 模糊滑模控制器设计  50-51
    4.2.4 自适应模糊滑模控制器设计及稳定性分析  51-52
    4.2.5 自适应模糊滑模控制算法方针与验证  52-55
  4.3 基于死区补偿的不确定机器人控制研究  55-62
    4.3.1 死区模糊补偿器设计  55-57
    4.3.2 自适应鲁棒控制器设计  57-58
    4.3.3 自适应模糊控制算法稳定性分析  58-59
    4.3.4 自适应模糊控制算法仿真与数据分析  59-62
  4.4 本章小结  62-64
第五章总结与展望  64-66
  5.1 论文总结  64
  5.2 展望  64-66
致谢  66-68
参考文献  68-72
附录: 作者在攻读硕士学位期间发表的论文  72

六自由度工业机器人运动与控制技术的研究

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