车载柔性机械臂轨迹规划及准静态变形补偿控制

发布时间：2016-09-26 13:11

  本文关键词：车载柔性机械臂轨迹规划及准静态变形补偿控制，由笔耕文化传播整理发布。

《吉林大学》 2014年

车载柔性机械臂轨迹规划及准静态变形补偿控制

刘杰  

【摘要】：随着科技的不断进步与发展，机器人技术在工业生产中得到了广泛的应用。然而，科技的发展与社会的需求也促使工业机器人本身需要提高。从最初的简陋工业机器人到复杂的智能工业机器人，再到如今的轻型化、快速化以及高精度化的全自动智能工业机器人，工业机器人在不断的更新换代。就车载机械臂而言，其研究方向已经从车载刚性机械臂转向车载柔性机械臂。车载柔性机械臂与车载刚性机械臂相比，具有负载质量大、操作范围广、响应速度快、工作寿命长等优点，因此，车载柔性机械臂的研究与发展是车载机械臂领域的一个趋势。 然而，车载柔性机械臂得到发展的同时，也遇到了诸多问题，如：车载柔性机械臂的期望目标点与实际目标点之间是否有偏差，柔性杆的变形等。车载柔性机械臂要想在实际工程中得到应用，上述问题必须得以解决，特别是转载大负载时柔性杆产生的弹性变形必须加以补偿。如果不加以补偿，将会影响到柔性杆末端位置的精度。所以，设计一种可靠的车载柔性机械臂的轨迹规划、轨迹补偿方法，变形补偿算法及控制方法，具有重要的理论意义与广阔的应用前景。 本文针对车载柔性机械臂工作时期望目标点与实际目标点之间是否有偏差的情况及大负载引起的弹性变形问题，分别对该系统的轨迹规划、轨迹补偿及弹性变形补偿等问题做了相关研究。本文的主要研究内容与工作如下： 首先，对车载柔性机械臂的系统模型进行了简单的描述，并给出了系统的结构简图。根据系统结构简图，应用D-H参数法建立了该系统的正运动学模型，然后由传统的反变换法得到了系统的逆运动学模型。运动学模型建立之后，根据拉格朗日法与假设模态法，对系统进行了动力学建模。 其次，针对车载柔性机械臂期望目标位置与实际目标位置之间是否有偏差的情况，分别对系统进行了轨迹规划与轨迹补偿研究。首先，考虑系统期望目标点与实际目标点之间无偏差，将系统的整个转载周期分为七个子过程，每个子过程分解为水平转载与垂直提升或下放两个过程，然后根据笛卡尔空间与关节空间相结合的方法，对七个子过程中的水平转载过程用五次多项式插值法进行轨迹规划，垂直过程采用九段六次多项式插值法进行轨迹规划。其次，考虑系统期望目标点与实际目标点之间有偏差，结合正运动学公式与变分法，可以求出目标点位置误差引起的关节角补偿变量，然后求出补偿后的关节角变量，并在此基础上得到补偿后的关节角轨迹和末端位置轨迹。 再次，，大负载会使柔性杆产生弹性变形，该弹性变形会影响到末端位置的精度，因此，要想使柔性臂将负载准确地转载到期望目标点，弹性变形必须加以补偿。鉴于此，本文提出了一种有效的弹性变形补偿方法—基于期望关节角的准静态变形补偿。首先，根据假设模态法求出柔性杆的弹性变形，并根据此变形计算出需要补偿的期望关节角变量。其次，针对期望目标点与实际目标点之间是否有偏差的情况，分别对弹性变形进行了补偿。再次，针对系统中振动模态及其导数的不可测性，设计了观测器对其进行估计。最后，基于观测器设计了滑模控制器以实现对系统期望轨迹的跟踪。 最后，对本文的研究内容进行了仿真验证，并做了几组对比：轨迹补偿前后对比、变形补偿前后轨迹跟踪效果对比、负载质量不同时轨迹跟踪效果对比。结果表明了本文所提出的轨迹规划、轨迹补偿及变形补偿方法是有效的。文章最后对全文做了工作总结，并且对下一步的研究内容做出了展望。

【关键词】：
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TP242;TP273
【目录】：

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