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高速重载码垛机器人能耗最优轨迹规划和控制研究引言

时间：2017-07-27 来源：机器人在线阅读：7670 原创

本章在前述能耗最优轨迹规划和模糊滑模变结构控制器设计的理论基础上，开展对轨迹规划和控制方法有效性的验证性实验研究。首先，搭建基于EtherCAT现场总线控制系统和双平行四边形码垛机器人硬件系统的实验平台，并采用Beckhoff开发的TwinCAT软件，对最优轨迹规划和滑模变结构控制进行算法设计。然后，开展机器人关节摩擦辨识实验，以得到精确的摩擦补偿模型。最后，开展基于摩擦补偿的模糊滑模变结构控制实验，对测试轨迹进行轨迹跟踪性能测试实验，并进行测试轨迹与能耗最优轨迹的能耗对比实验，以验证控制系统的有效性及能耗最优轨迹规划方法的有效性。

5.2码垛机器人实验系统组成

本课题由于要实现机器人的高轨迹跟踪精度，要求控制周期较短，对通讯周期也提出了较高的要求。EtherCAT现场总线作为先进总线技术的代表，其修改了传统网络通讯的物理层协议，具有高传输速度(100Mbps、低同步周期(100ns)的特点。在本课题高通讯要求的背景下，EtherCAT现场总线的优势可以得到充分发挥，所以考虑基于EtherCAT现场总线搭建实验系统。

5.2.1实验系统硬件组成

根据码垛机器人的特点及工作要求，选取了实验所需硬件，搭建了基于EtherCAT实时通讯及自主研发的双平行四边形码垛机器人本体的伺服控制系统实验平台。整体实验系统主要由三部分组成:控制器、驱动器、末端执行器，系统组成框图如图5-1所示。

控制器选用德国Beckhoff生产的C6640-0020型号的工控机，该型号机器可以使用Beckhoff开发的TwinCAT3的编译环境对控制器进行编程，它可以通过EtherCAT现场总线以网络的形式与伺服驱动器实现高速通讯。工控机具有运算及输出指令的功能，控制指令发出后，输入到伺服驱动器中。

伺服驱动器将信号放大后通过数字和模拟I/O模块输入给伺服电机。由于工控机与驱动器之间的通讯通过EtherCAT现场总线，所以伺服驱动器需选用带有EtherCAT接口的驱动器。本课题根据机器人三轴的需求，最终选择了日本山洋公司生产的RS2系列的伺服驱动器，以及与之配套的R2系列的伺服电机。所选伺服驱动器可以与C6640通过EtherCAT实时通讯，有效缩短了系统的节拍时间。伺服电机带有光学式备用电池式绝对值编码器，电机输出轴端的转角信号可以反馈到驱动器中，进而输入给工控机。这给半闭环控制系统的实现提供了基础。

机器人本体为自主研发的双平行四边形码垛机器人，其在本体设计时进行对杆件进行了优化设计，使得机器人在高速重载运行时杆件变形较小，保证了杆件的刚度，给动力学建模时仅考虑关节柔性提供了硬件基础。

机器人系统实验平台实物组成如图5-2所示。