论文部分内容阅读
工业机器人系统是一个十分复杂的多输入多输出的非线性系统，它具有时变、强耦合和非线性的动力学特性，其控制问题十分复杂。轨迹跟踪控制是在工业机器人控制问题中的一个重要方面。轨迹跟踪控制要求机器人的各个关节跟踪连续、时变的期望轨迹，期望轨迹往往比较复杂，速度、加速度甚至是加加速度都存在冲击。由于机器人系统本身的复杂程度较高以及所跟踪轨迹的连续时变性，机器人轨迹跟踪控制难度十分大，控制精度也难以保证。本课题获得国家863重点课题资助项目（项目编号：2009AA043901-3）的资助。本论文主要针对工业机器人轨迹跟踪控制的算法进行研究。主要研究内容如下：首先，本文在运动学的基础上，深入分析了工业机器人动力学模型的建立问题，利用拉格朗日方法建立了六自由度垂直关节机器人的动力学模型，并利用工程近似、数值化简等方法对模型进行了必要的化简以满足实时控制的要求。其次，分析了工业机器人控制仿真模型建立的问题。利用虚拟样机软件ADAMS建立了机器人在MATLAB中的模型，采用ADAMS+MATLAB的联合仿真方法，完成了轨迹跟踪控制算法仿真模型的建立工作。然后，深入分析了机器人轨迹跟踪控制现有的一些算法：PID算法、PID+前馈算法、计算力矩法、滑模变结构算法。将变结构控制与PID+前馈算法相结合提出基于变结构补偿的PID+前馈控制算法，以此来提高轨迹跟踪的精度。又在分析变结构控制的基础上提出了两种新型算法：快速变结构控制算法、自适应模糊变结构算法。快速变结构控制算法对趋近运动进行优化来改善控制品质；自适应模糊变结构控制在快速变结构控制基础上，利用模糊算法建立误差与趋近律之间的关系来改善控制品质。这两种算法能使轨迹跟踪精度提高、响应时间加快。最后，通过仿真对比，理论上验证了本文提出的算法在跟踪精度和响应时间两方面的优势以及算法的可行性。最后，本文设计了一个二自由度平面关节机器人，并以此为实验平台，通过一系列实验来对本文研究的算法进行工程试验验证，通过对实验结果的分析验证了本文研究算法的可行性与优越性。