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重载码垛机器人关于轨迹规划和控制方法研究

时间：2017-12-06 来源：机器人在线阅读：7206

摘要

随着社会生产力水平的不断提高，物料搬运领域对搬运负载以及搬运效率提出了越来越高的要求，因此高速重载码垛机器人得到了越来越广泛的应用。但是随着负载的增大和速度的提高，传统的控制方法难以满足定位精度要求，而传统的轨迹规划方法也带来了能耗过高的问题，这些问题的出现给机器人的轨迹规划和控制方法提出了新的挑战。

针对这种需求，本文以自主开发的双平行四边形码垛机器人为研究对象，从码垛机器人实际工况出发，开展高速重载码垛机器人能耗最优轨迹规划及运动控制研究，提出了一种高速重载码垛机器人能耗最优轨迹规划方法及模糊滑模变结构控制方法，搭建了基于EtherCAT总线的码垛机器人运动控制实验系统，对能耗最优轨迹规划方法及控制方法的有效性进行实验验证。

首先，本文运用几何法建立了码垛机器人的运动学模型，得到其运动学正逆解以及雅可比矩阵;采用第二类拉格朗日方程建立机器人的刚体动力学模型，并考虑关节柔性进一步建立了机器人的刚柔祸合动力学模型;采用ADAMS建立了机器人的虚拟样机模型，分析并验证了机器人运动学和动力学模型的准确性，为后续轨迹规划和控制算法设计奠定了基础。

其次，从节能角度提出了机器人运行速度不降低前提下的能耗最优轨迹规划问题，建立了相应的力矩及始末点约束，并将其转化为数学问题;运用四阶R-K方法和多重打靶法对该问题进行数值求解，得到了能耗最优轨迹，并通过仿真验证了其有效性。针对固定垛型以及机器人实际运行工况，对码垛起始点进行优化选取，得到了使得整体码垛过程能耗最低的起始点，并分析了起始点位置与整体能耗大小之间的关系。

再次，根据机器人系统强祸合性、时变性和不确定性的特点，结合模糊控制和滑模变结构控制的优点，提出了模糊滑模变结构控制方法。该方法使用状态反馈的形式估计末端位置以解决末端无法得到直接反馈值的问题。最后引入摩擦补偿以减小关节摩擦对机器人快速启停性能的影响。

最后，搭建了基于EtherCAT总线的码垛机器人运动控制实验平台，开展了机器人关节摩擦模型辨识实验，得到了较为准确的关节摩擦模型，并开展了机器人能耗最优轨迹规划和控制性能测试实验。实验结果表明，控制系统的重复定位精度能达到±0.154mm，轨迹跟踪精度能达到±0.160mm，精度指标接近国外先进码垛机器人指标，验证了控制算法的有效性;能耗最优轨迹下实际能量消耗较七次多项式轨迹降低了15.308070，说明了能耗最优轨迹规划方法的有效性。

关键词:高速重载;关节柔性;能耗最优;模糊滑模变结构控制