基于滑模变结构的Dobot机械臂轨迹跟踪控制研究

发布时间：2020-05-23 18:28

【摘要】：随着科技的不断进步发展,机械臂在医疗、航空、工业制造等领域得到了越来越广泛的应用与发展,对其轨迹跟踪性能也提出了更高的要求。然而机械臂是一个多变量、强耦合、时变的非线性系统,难以建立精确的动力学模型,对实现稳定、快速、准确的轨迹跟踪控制造成很大的阻碍。因此,机械臂轨迹跟踪控制方法的研究有很高的理论和实际应用价值。本文以Dobot串联机械臂为研究对象,建立了机械臂的运动学模型和动力学模型,进行了轨迹规划研究,然后通过研究设计相应的滑模变结构控制方法,实现了机械臂的轨迹跟踪控制,具体工作如下:(1)对Dobot机械臂的运动学及动力学进行了分析。首先利用D-H建模方法建立了Dobot机械臂正运动学模型,并利用反变换法对机械臂进行逆运动学分析,通过数值算例验证了正逆运动学分析的正确性。然后采用拉格朗日动力学建模方法,建立简化的Dobot机械臂动力学模型。(2)对机械臂在关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划方式进行了研究。首先,研究了关节空间的三次多项式和五次多项式轨迹规划方法,仿真对比分析得出五次多项式可以得到更平稳、光滑的轨迹曲线。然后,研究了笛卡尔空间内直线插补算法和圆弧插补算法轨迹规划方式,并仿真验证了其可行性和有效性。(3)针对Dobot机械臂动力学模型存在建模误差和外界干扰,且其上界已知的情况,提出了一种基于改进趋近律的计算力矩法的滑模变结构控制算法。首先针对滑模变结构传统指数趋近律的抖振问题,设计了一种改进的指数趋近律;然后使用计算力矩法和改进趋近律的滑模变结构控制分别对机械臂的名义模型和不确定部分进行控制,利用已知的不确定部分上界值对建模误差和外界干扰进行补偿;最后通过李雅普诺夫函数证明了系统的稳定性。仿真结果表明该控制算法具有很好的轨迹跟踪效果,抖振抑制效果和动态性能显著提高。(4)针对Dobot机械臂动力学模型中外界干扰和建模误差较大的情况,在无上界先验知识条件下,提出了基于干扰观测器的神经网络自适应滑模变结构控制算法。该方法使用非线性干扰观测器对外界干扰进行观测补偿,利用RBF神经网络自适应跟踪系统建模误差,并通过李雅普诺夫函数确定神经网络权值自适应律,采用滑模变结构控制器作为主控制器,增强系统的鲁棒性。仿真结果表明该控制算法具有较好的抗干扰能力和控制精度,能够实现对规划的期望轨迹快速稳定精确跟踪。
【图文】：

各国工业机器人产业逐步开始发展，其中发展最成功的是日本，长期成为具有国际上最先进机器人技术研究和应用市场的国家，目前全球工业机器人大约四成在日本以德国为代表的欧洲国家北美工业机器人产业也迅速崛起，研发能力不断增强。目前国外工业机器人已经发展成熟，应用不断扩大，形成了目前具有全球影响力的工业机器人领导品牌，分为以日本为代表的日韩系和以德国为代表的欧系两大品牌格局。其中瑞典的ABB、日本的安川、发那科等品牌据有了世界51%的市场份额，德国的KUKA、日本的川崎、松下等几大品牌占市场份额的40%以上[4]。目前国外的工业技术发展相对成熟，并且有着相对完整的工业研究标准供业界使用。相比国外而言，我国对机械臂的研究起步较晚，上世纪七八十年代才开始着力研究和发展机械臂，最初十年国内各研究机构自行开始研究，机械臂科研进展缓慢。80年代后，国家开始将工业机器人列为“七五”重点研发计划，我国工业发展开始进入快速的发展的轨道，后期经过“八五”、“九五”机器人技术攻关计划、“863高技术发展计划扶持，我国的机械臂技术从无到有，不断开拓前进，进入快速发展阶段[5]。

各国工业机器人产业逐步开始发展，其中发展最成功的是日本，长期成为具有国际上最先进机器人技术研究和应用市场的国家，目前全球工业机器人大约四成在日本以德国为代表的欧洲国家北美工业机器人产业也迅速崛起，研发能力不断增强。目前国外工业机器人已经发展成熟，应用不断扩大，形成了目前具有全球影响力的工业机器人领导品牌，分为以日本为代表的日韩系和以德国为代表的欧系两大品牌格局。其中瑞典的ABB、日本的安川、发那科等品牌据有了世界51%的市场份额，德国的KUKA、日本的川崎、松下等几大品牌占市场份额的40%以上[4]。目前国外的工业技术发展相对成熟，并且有着相对完整的工业研究标准供业界使用。相比国外而言，我国对机械臂的研究起步较晚，上世纪七八十年代才开始着力研究和发展机械臂，最初十年国内各研究机构自行开始研究，机械臂科研进展缓慢。80年代后，国家开始将工业机器人列为“七五”重点研发计划，，我国工业发展开始进入快速的发展的轨道，后期经过“八五”、“九五”机器人技术攻关计划、“863高技术发展计划扶持，我国的机械臂技术从无到有，不断开拓前进，进入快速发展阶段[5]。
【学位授予单位】：青岛大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241

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本文编号：2677769