码垛机器人的运动学分析与残余振动抑制研究绪论

码垛机器人是一种由机械本体和控制系统组成的，能够实现仿人操作和自动控制作业的自动化生产设备，对降低生产成本、改善劳动条件、提高生产效率具有十分重要的作用，在工业、农业、医疗、教育、服务、建筑、军事、宇宙探测等领域中均有广泛应用机器人技术是整合了机构学、控制理论、机械电子、信息与传感技术、计算机、人工智能和仿生学等多学科而形成的高新技术，是目前较为热门的研究领域。码垛机器人是伴随机器人产业和工业机器人技术的发展而出现的。码垛技术是物流自动化技术领域的一门新兴技术，能够将箱体或袋状等规则物品按照一定模式和次序码放在托盘上，方便物料的装卸、搬运和存储。现代化码垛技术多用于食品饮料、酿酒、化工、煤炭等大批量生产的场合。码垛机器人是实现物流和包装自动化的关键装备，具有柔性高、处理能力强、可靠性好等特性，可以实现自动、连续、高速、准确的码垛任务，能够帮助人们从事单调而劳累的重复性工作，降低劳动成本，提高生产生产率，因而正在成为一种流行趋势，被广泛地应用于机械加工、生产搬运等场所。码垛机器人按照组成结构和传动方式的不同可以分为关节式串联码垛机器人、并联码垛机器人和混联码垛机器人三种，其中关节式串联码垛机器人以其占地面积小、动作灵活、工作空间大、工作效率高等优势，可满足更多的生产要求。码垛机器人控制系统是一个非常复杂的多输入多输出的非线性系统，其具有时变性、非线性和强藕合等动力学特征。早期的码垛机器人模型多数被作为刚性结构进行处理，而实际中的码垛机器人系统并非一个完全刚性的结构。对码垛机器人来说其柔性因素主要来源于杆件柔性和关节柔性两部分，杆件在运动过程中会发生弹性变形，减速器、转轴的存在使关节处的柔性因素更为明显，且随着末端负载的加重和运动速度的增加，柔性因素会越来越明显。

码垛机器人系统中柔性因素的存在会使机构在工作过程中存在残余振动，这会严重影响码垛机器人的控制精度和稳定性，为此需要针对残余振动进行抑制。残余振动的抑制方法包括结构优化和控制器设计等。对于柔性杆件，可采用钦合金或碳纤维等材料以增强其强度，但如此会增加系统的能量输入;对于柔性关节，可采用精密紧凑的机械结构以减小其柔性，但代价较高且效果甚微。在机械结构确定后，可通过建立系统的数学模型并设计运动控制器来控制系统的动态响应，如典型的PI。控制器等，如此便可以通过编写控制算法实现对机构精确且可靠的控制，但控制器的设计需要基于系统较为合理的动力学模型，因而需要考虑柔性因素。