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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

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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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

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