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基于力矩前馈的机器人直线度算法

实验室研究与探索 2020年第6期39卷 37-41页

作者：李彦华李会英刘仁芬河北轨道运输职业技术学院石家庄050051 石家庄铁道大学四方学院石家庄050043

针对传统工业机器人的机械结构特点,利用指数积(POE)法建立了各关节连杆的相对转换关系模型。采用牛顿欧拉法求解机器人动力学前馈模型,运用辨识方法采集模型的动力学参数,提出了机器人直线度的概念,机器人轨迹的直线度可以反映机器人... 详细信息

针对传统工业机器人的机械结构特点,利用指数积(POE)法建立了各关节连杆的相对转换关系模型。采用牛顿欧拉法求解机器人动力学前馈模型,运用辨识方法采集模型的动力学参数,提出了机器人直线度的概念,机器人轨迹的直线度可以反映机器人运动的平稳性、轨迹一致性和轨迹跟踪性。实验结果表明,采用力矩前馈控制法能够有效地改善机器人的性能,对促进机器人相关产品的高级应用具有参考价值。

关键词：力矩前馈动力学前馈直线度指数积

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基于力矩前馈的体育机械驱动力控制方法研究

自动化与仪器仪表 2021年第8期 143-146,150页

作者：耿林杨茜西安理工大学西安710048 西北工业大学西安710072

体育机械各组件结构具有一定差异性,不同位置对驱动负载的需求不同。由于现有机械驱动力控制方法对负载补偿的估算不准确,导致驱动力偏差消除率较低,基于力矩前馈设计体育机械驱动力控制方法。根据运动跟踪控制需求,提出解析策略,计算... 详细信息

体育机械各组件结构具有一定差异性,不同位置对驱动负载的需求不同。由于现有机械驱动力控制方法对负载补偿的估算不准确,导致驱动力偏差消除率较低,基于力矩前馈设计体育机械驱动力控制方法。根据运动跟踪控制需求,提出解析策略,计算出控制层输入力矩;基于力矩前馈,匹配输出点与参考点的期望轨迹,输出机械驱动力补偿负载;考虑机械负载约束条件,建立机械驱动力分配控制模型,求解出运行参数下机械力矩的数值。实验结果:设计的驱动力控制方法可有效补偿驱动负载,与现有控制方法相比,偏差最大值消除率增加了26.27%和22.94%,偏差平均值消除率增加了36.65%和32.82%,证明本次设计的机械驱动力控制方法能够更好地抑制驱动力偏差峰值,提升控制跟随精度,从而改善机械控制性能。

关键词：力矩前馈体育机械驱动力控制补偿控制

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基于力矩前馈煤矿用防爆伺服电机控制研究

煤矿机械 2021年第10期42卷 197-199页

作者：李合菊宋文敏马伟顺莱芜职业技术学院济南250000

针对煤矿生产自动化、智能化水平低,基于力矩前馈设计了煤矿用防爆伺服电机控制系统,实现对煤矿用防爆伺服电机位置、速度、电流三闭环控制及在线参数自整定控制。对煤矿用防爆伺服电机在实际生产过程中的速度、力矩等关键参数进行精确... 详细信息

针对煤矿生产自动化、智能化水平低,基于力矩前馈设计了煤矿用防爆伺服电机控制系统,实现对煤矿用防爆伺服电机位置、速度、电流三闭环控制及在线参数自整定控制。对煤矿用防爆伺服电机在实际生产过程中的速度、力矩等关键参数进行精确、智能、自动控制。该研究为煤矿生产自动化及智能化控制提供技术支持及参考依据。

关键词：力矩前馈煤矿用防爆伺服电机控制研究

火箭发动机喷管伺服机构负载模拟系统设计与实验

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兵工学报 2014年第9期35卷 1495-1502页

作者：张朋付永领郭彦青北京航空航天大学机械工程及自动化学院北京100191

针对火箭发动机喷管伺服机构的半物理仿真需要,设计一种可对惯性负载、摩擦力矩负载、弹性力矩负载、伺服机构安装刚度进行模拟的电液负载模拟系统。依据伺服机构负载特点,由机械的方式实现惯性负载、摩擦负载以及安装刚度的模拟,由阀... 详细信息

针对火箭发动机喷管伺服机构的半物理仿真需要,设计一种可对惯性负载、摩擦力矩负载、弹性力矩负载、伺服机构安装刚度进行模拟的电液负载模拟系统。依据伺服机构负载特点,由机械的方式实现惯性负载、摩擦负载以及安装刚度的模拟,由阀控伺服马达实现弹性力矩的模拟;分别建立伺服机构系统和马达加载系统的数学模型,并为马达加载系统设计基于速度前馈补偿和力矩前馈的控制系统;进行负载模拟器的现场实验,实验结果表明,各种加载负载满足精度要求,验证了负载模拟器设计的合理性和实用性,以及控制策略的有效性。

关键词：兵器科学与技术负载模拟伺服机构数学模型力矩前馈速度补偿

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数控机床高速刚性攻丝优化技术研究

制造技术与机床 2017年第7期 109-113页

作者：封光磊崔岗卫胡传勇冯平书晏腾飞姜旭峰寸花英沈机集团昆明机床股份有限公司云南昆明650203 昆明云内动力股份有限公司云南昆明650200

对数控机床Z轴和主轴进行伺服优化调整,并增加使用力矩前馈控制、轴冲击限制功能,可大幅减小高速刚性攻丝中Z轴和主轴的跟随误差,提高攻丝效率及攻丝质量。

关键词：高速刚性攻丝伺服优化参数调整力矩前馈跟随误差

变载荷下四自由度冗余并联机器人轨迹优化与力矩混合控制研究

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变载荷下四自由度冗余并联机器人轨迹优化与力矩混合控制研究

作者：胡胜巧湖南科技大学

学位级别：硕士

冗余并联机器人在工业生产线上得到广泛应用,但在变载荷条件下工作时,由于机器人各臂受力及惯性矩阵变化大,特别是高速运行时,会加剧冲击及抖振,影响其运动控制精度。本论文以四自由度冗余并联机器人为研究对象,从优化轨迹和力矩控制两... 详细信息

冗余并联机器人在工业生产线上得到广泛应用,但在变载荷条件下工作时,由于机器人各臂受力及惯性矩阵变化大,特别是高速运行时,会加剧冲击及抖振,影响其运动控制精度。本论文以四自由度冗余并联机器人为研究对象,从优化轨迹和力矩控制两方面,对其运动学与变载荷条件下动力学模型、轨迹优化、变载荷下力矩反馈&前馈控制进行了研究,力求解决机器人在变载荷条件下高速运行时所产生的冲击及抖振问题。论文的主要研究工作及成果如下:1)四自由度冗余并联机器人运动学分析及变载荷下改进动力学模型构建建立四自由度冗余并联机器人运动学模型,分析了该机器人的运动极限位置、工作空间与奇异性,为其轨迹规划奠定了基础。分析了变载荷对四自由度冗余并联机器人系统力/力矩的影响,提出一种变载荷下改进动力学模型,即通过将末端变载荷反映到末端质心坐标上,利用等效法简化变载荷模型,分析各部分能量,最后利用拉格朗日方程建立变载荷下的各支链动力学改进模型,为机器人的后续力矩控制做准备。2)变载荷下四自由度冗余并联机器人关节空间轨迹优化针对四自由度冗余并联机器人在变载荷下高速运行所产生的冲击及抖振现象,利用正弦函数无突变且经多次积分仍为正弦函数的特性,提出一种新型12相正弦jerk曲线作为四自由度冗余并联机器人关节空间的轨迹;并以低能耗为目标,利用惩罚函数法对轨迹进行优化。通过试验与仿真,结果表明:针对小工作空间的四自由度冗余并联机器人,12相正弦jerk轨迹整体运行更精确和平稳;且各关节不存在力和速度的突变,能够有效避免机构振荡现象的发生;同时机器人各关节的受力更为均匀,各运动量更接近最大允许极限值,运行效率更高,从轨迹规划角度提升了运动精度。3)变载荷下四自由度冗余并联机器人力矩混合控制针对四自由度冗余并联机器人各支链高速变载荷下运行所产生的冲击及抖振现象,提出了变载荷下模糊计算力矩反馈&力矩前馈混合控制策略。其中前馈力矩包括摩擦力矩与变载荷非线性扰动力矩两部分。摩擦力矩通过对Stribeck摩擦模型的参数辨识得到,非线性负载扰动力矩则由变载荷下改进动力学模型的实时计算获取。通过对四自由度冗余并联机器人关节进行仿真和实验,验证了变载荷下机器人自适应模糊计算力矩反馈&力矩前馈混合控制方法的有效性。实验与仿真结果表明,机器人三个驱动关节在变载荷下自适应模糊计算力矩反馈&力矩前馈混合控制的运动精度相比自适应模糊计算力矩反馈分别低49.87%,70.48%和50.37%,其速度稳定性分别高23.35%,17.66%和25.04%。

关键词：变载荷冗余并联机器人 12相正弦jerk曲线力矩反馈力矩前馈

基于末端六维力传感器的操作臂力/位混合控制及应用

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基于末端六维力传感器的操作臂力/位混合控制及应用

作者：徐冰洁山东大学

学位级别：硕士

当前广泛应用于工业生产过程中的第一代工业机器人能够完成诸如焊接、码垛、喷涂、搬运等工作,但在升级为第二代工业机器人的工作中存在诸多技术难题,比较典型的一个问题就是在第一代工业机器人的基础上加装末端六维力传感器,使其具备力... 详细信息

当前广泛应用于工业生产过程中的第一代工业机器人能够完成诸如焊接、码垛、喷涂、搬运等工作,但在升级为第二代工业机器人的工作中存在诸多技术难题,比较典型的一个问题就是在第一代工业机器人的基础上加装末端六维力传感器,使其具备力觉,从而能使机器人末端在指定的方向上保持设定的作用力,而在其他方向上保持设定的位置,即力/位混合控制。本文针对工业现场广泛使用的第一代工业机器人,在总结国内外已有研究成果的基础上,对机器人控制系统进行升级,设计并完善了操作臂末端的力/位混合控制方案,并基于现有的实验条件对方案进行了实验验证。为了提高操作臂末端力/位混合控制的性能,需要在控制律中加入操作臂的动力学模型。作为操作臂动力学控制的基础,操作臂的动力学模型参数辨识首当其冲。本文参考了国内外对操作臂动力学模型参数辨识的研究成果,决定采用以有限项傅里叶级数的激励轨迹为基础,以回归矩阵达到最小条件数为目标的优化方案,并对方案进行了简化,使其更加适合工业现场的快速部署和应用,最后操作臂的动力学参数辨识方案在大族机器人上进行了实验验证。隐式力控制需要根据笛卡儿空间的力误差求得末端的运动轨迹,再运用运动学逆解算法求得关节空间目标位置并跟随,因此位置控制（伺服）算法的性能决定了隐式力控制的性能:响应速度要更快,轨迹跟随误差要更小,以确保力控制的稳定性;适应不同的关节位形,确保始终不会出现振荡。本文在关节空间动力学模型的基础上,提出了基于扩张状态观测器和力矩前馈的关节独立控制算法,适用于目前主流的各关节相互独立的伺服控制方案,并对位置控制的诸多工程问题提出了解决方案,最后位置控制算法在大族机器人上进行了实验验证。本文在关节空间线性化控制方案的基础上,利用末端六维力传感器的信息作为反馈,实现笛卡儿空间的力控制。为了提高与工作环境接触时的稳定性和快速性,本文提出了基于扩张状态观测器和力矩前馈的关节独立控制算法作为位置控制内环,阻尼控制作力控制外环的力控制（伺服）方案,并对力控制的各种工程问题提供了相应的解决方案,最后力控制算法在大族机器人上进行了实验验证。笛卡儿空间的位置控制和力控制问题都得到解决后,只需要在笛卡儿空间各个方向上采取相应的控制策略,便可以实现力/位混合控制。在位置控制和力控制方案的基础上,论文采用混合阻抗作为力/位混合控制方案。最后本文在力闭环拖动示教、粗糙面跟随这两个典型的应用场景对力/位混合控制方案进行了应用测试,在大族机器人上进行了实验验证。实验结果表明,本论文提出的力/位混合控制方案满足实际应用的性能要求。

关键词：动力学参数辨识力矩前馈扩张状态观测器六维力传感器力/位混合控制

基于动力学参数辨识的工业机器人运动性能优化技术研究

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基于动力学参数辨识的工业机器人运动性能优化技术研究

作者：卞传成哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

工业机器人在现代制造业中起着重要作用，其运动性能直接影响作业的效率和质量。然而，国产机器人的快速性和准确性与国外机器人还有很大的差距，制约着我国工业向高端化方向发展。为此，本研究旨在通过对影响机器人运动性能的关键技术... 详细信息

工业机器人在现代制造业中起着重要作用，其运动性能直接影响作业的效率和质量。然而，国产机器人的快速性和准确性与国外机器人还有很大的差距，制约着我国工业向高端化方向发展。为此，本研究旨在通过对影响机器人运动性能的关键技术进行研究，优化工业机器人的运动性能，提高工业机器人的运行快速性和准确性。具体内容如下：　　为了提高工业机器人的动力学模型准确性，本文设计了一种分步辨识的策略。单独建立机器人的关节摩擦力模型，先辨识出关节摩擦参数。然后再通过整体实验的方法，用采集到的实际关节力矩减去关节摩擦力矩，辨识机器的最小惯性参数集。在此过程中对激励轨迹进行设计优化，对采集的数据进行处理，保证辨识精度。最后通过实验获得完整的动力学模型的参数。设计验证轨迹，验证工业机器人分步参数辨识策略的有效性。　　为了提高工业机器人的快速性，本文改进了基于可达性分析的时间最优轨迹规划（TOPP-RA）算法。该算法综合考虑了机器人的完整动力学和运动学约束，相较于传统的基于可达性分析的时间最优规划，本文采用了辨识得到完整的动力学模型，有更接近实际的惯性参数和完整的关节摩擦力模型，在保证能够生成满足时间最优轨迹的同时确保机器人运行更安全可靠，从而提高了工业机器人的运行效率和安全性。　　为了优化工业机器人的准确性指标，基于辨识得到的完整动力学模型设计力矩前馈控制，结合驱动器内部的三环PID控制。该方案能够通过预先计算和补偿动力学参数的力矩，提升工业机器人末端的位置跟踪精度。　　为了验证了本文所研究技术对机器人运动性能优化的有效性和实用性，基于QJR6S-1工业机器人进行了时间最优轨迹规划算法和轨迹跟踪控制算法的验证。实验结果表明，基于动力学参数辨识的分步辨识策略能够进一步提高机器人动力学模型的准确性，同时，基于完整动力学模型的时间最优轨迹规划和基于辨识动力学模型的力矩前馈控制方案也能够有效地提升机器人的运动快速性和准确性，基本实现了对国产工业机器人运动性能的优化。

关键词：工业机器人动力学参数辨识时间最优轨迹规划轨迹跟踪控制力矩前馈

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机器人搅拌摩擦焊接触压力控制与实现

机器人搅拌摩擦焊接触压力控制与实现

作者：刘华春南京航空航天大学

学位级别：硕士

本文以昆山华恒焊接股份有限公司自主研发的150kg六自由度工业机器人为研究对象,系统研究了机器人搅拌摩擦焊末端接触压力均衡控制理论。利用自主研发的六自由度工业机器人控制系统,并在控制系统中加入顶锻力控制的功能模块,实现对机器... 详细信息

本文以昆山华恒焊接股份有限公司自主研发的150kg六自由度工业机器人为研究对象,系统研究了机器人搅拌摩擦焊末端接触压力均衡控制理论。利用自主研发的六自由度工业机器人控制系统,并在控制系统中加入顶锻力控制的功能模块,实现对机器人搅拌摩擦焊顶锻力的均衡控制。机器人运动学是机器人控制的基础,利用DH法建立六自由度机器人运动学模型,推导机器人运动学正解和逆解,利用MATLAB机器人工具箱对机器人正逆解和运动轨迹进行仿真,验证机器人运动学模型的正确性。机器人动力学是机器人力矩控制的基础,利用拉格朗日法建立机器人动力学模型,推导机器人动力学方程。重载环境下机器人搅拌摩擦焊的关节柔度变形会导致机器人末端位置产生偏差,影响机器人末端精度。机器人搅拌摩擦焊为保证焊接工艺对末端轨迹精度要求较高,因此需要建立机器人关节刚度模型,辨识机器人关节刚度矩阵,并对末端位置进行偏差补偿,提高机器人轨迹精度。本文研究了机器人末端受负载和施加顶锻力两种工况下的刚度辨识方法,利用机器人刚度模型对机器人进行顶锻力下压位移控制。基于机器人动力学模型对机器人进行了力矩前馈控制。由于机器人动力学模型与实际情况存在偏差,利用RBF神经网络对动力学模型的不确定项进行辨识和逼近,对机器人末端轨迹和力进行自适应跟踪控制,采用动力学控制方法提高机器人轨迹精度,并对顶锻力进行跟踪控制。在机器人控制系统内加入机器人搅拌摩擦焊顶锻力控制算法,实现对机器人搅拌摩擦焊顶锻力的均衡控制。顶锻力控制算法分为离线控制和在线控制。离线控制是基于机器人刚度模型和末端工具计算机器人运动轨迹各离散位姿点满足期望顶锻压力的位移下压量,并对机器人各步运动的关节角进行补偿,对机器人进行位移下压量控制。在线控制是利用安装在机器人末端的力传感器反馈机器人实时的末端压力,利用反馈控制算法在机器人运动过程中在线调节机器人末端轨迹,实现对顶锻力的在线控制。

关键词：重载机器人搅拌摩擦焊顶锻力机器人刚度力矩前馈位置补偿反馈控制