多关节机器人运动控制中的重力补偿研究

发布时间：2020-12-11 01:41

　　现代工业的快速发展让机器人越来越多的应用于各种工业作业之中,同时对机器人的控制性能提出了更高的要求。由于机器人系统为一个具有强耦合性和诸多不确定因素的系统,因此在机器人控制中存在着很多问题,机器人的轨迹跟踪控制过程中的误差问题则是众多问题中的一个重点。本课题研究在机器人运动控制过程中重力补偿在提高机器人轨迹跟踪精度方面的意义和作用。本课题的研究对象为一个具有六个关节的六自由度机械臂,对机器人的运动学和动力学模型进行了研究,给出了机器人正、逆运动学的解析解法,借助多项式插值法生成运行轨迹,验证了模型的合理性。通过蒙特卡洛法建立机器人的工作空间,分析了机器人动力学模型中重力、惯性力和科氏力在工作空间中的变化情况以及重力矩对机器人位姿的影响,证明了对机器人进行重力补偿的必要性。本文设计了一种基于机器人模型的重力前馈补偿PD控制方法,通过在简单的PD控制器基础上添加重力矩补偿模型,能够有效解决因为机器人各关节连杆重力造成的跟踪误差问题。通过相关仿真表明:基于机器人模型的重力前馈补偿PD控制方法在补偿模型精准的前提下,能够有效提高系统轨迹跟踪的精度。针对补偿模型与系统实际模型匹配程度不高时,控制... 

【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校

【文章页数】：83 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

机器人被动重力补偿方法

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-5-添加配重或弹簧缸的方式实现机器人的被动重力补偿，如下图1-1所示。a)弹簧缸补偿b)配重与弹簧缸联合补偿图1-1机器人被动重力补偿方法配重法通过在机器人系统中添加适当的配重来保证机器人系统各连杆质心保持不变，是目前使用最为广泛的一种被动式重力补偿方式。其中，根据机器人机构的不同和配重块设置位置和方式的不同，配重法又有直接配重法和间接配重法之分，如图1-2为机器人直接配重法和间接配重法示意图。直接配重法将配重直接安装在运动端，这样的安装方式对于机构复杂程度的要求较低。但是，机器人系统中添加的配重块会改变机器人迭代动力学模型，尤其是改变系统的惯性参数，致使系统的动态性能降低。同时，若为多个连杆同时添加配重块，则有可能造成各连杆机构之间的干涉，复杂化系统的控制方法。间接配重法通过额外设计力矩传递装置，为各个关节提供重力补偿，可以在一定程度上减小因配重块加入而带来的系统惯性增大的问题。文献[21，22]将关节电机作为配重部分来平衡机器人重力，这样的做法有效减小了机器人系统的惯性，提高了系统性能。a)直接配重法示意图b)间接配重法图1-2机器人配重法示意图配重法作为早期领域提出的一种重力补偿方式，由于其具有结构设计简单，安装生产方便等优点，时至今日依旧是工业机器人领域应用最为广泛的重力补偿

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-6-方式。但是面对今日机器人控制领域对于精确性、快速性的全新要求，以及人机协同、人机交互等新形式的出现，配重法导致的大惯性与这些新需求相悖，因此需要一种新的方式方法来满足人们的需求。通过弹簧机构来补偿系统重力的方法是受到20世纪30年代英国设计师GeorgeCarwardine发明的Anglepoise台灯的启发，Anglepoise台灯的结构如图1-3所示。基于恒张力原理，GeorgeCarwardine通过安装在灯具末端的弹簧来补偿灯支架的重力，使灯支架能够固定在任意位置。图1-3Anglepoise台灯目前应用在机器人重力补偿方面的弹簧机构法有：辅助机构法和纯弹簧法。其中辅助机构法又可分为凸轮机构法、齿轮机构法和辅助杆件法。Vijay在1991就已经提出利用凸轮轮廓的非线性变化来改变弹簧形变量，从而实现重力补偿[23-24]。如图1-4展示了不同形式的凸轮补偿方法。由于凸轮所具有的非线性特点，故凸轮法可以实现对重力的非线性补偿，但由于凸轮轮廓和弹簧弹性系数均为固定的，因此凸轮机构法能够平衡的变化负载也是固定的，在机器人系统负载发生变化时，凸轮补偿法不再能够提供合适的补偿力矩。此外，由于凸轮加工昂贵、凸轮结构等因素的制约，该方法没有在机器人重力补偿领域得到广泛应用。a)拉伸弹簧式平衡b)压缩弹簧式平衡c)板簧式平衡图1-4凸轮机构法示意图齿轮机构法通过在齿轮外圈安装弹簧固定点，通过齿轮旋转时拉扯弹簧发生形变，利用弹簧形变产生的弹力来进行重力补偿[25]，如图1-5所示为齿轮机构单关节平衡结构示意图。但应用齿轮机构法时需要系统满足齿轮安装、啮合等条件，


本文编号：2909668