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码垛机器人能耗最优轨迹和控制研究思路

时间：2017-12-06 来源：机器人在线阅读：7241

码垛机器人能耗最优轨迹和控制研究思路

本课题源于国家高技术研究发展计划(863计划)项目子课题“经济型搬运机器人开发及产业化应用研究”(编号2013AA04091)。

本文针对高速重载工况下提高运行精度并降低能耗的应用需求，以自主开发的BS130码垛机器人为研究对象，开展高速重载码垛机器人能耗最优轨迹规划和控制研究。本文将首先建立机器人运动学模型和刚柔祸合动力学模型，并以此为基础开展机器人能耗最优轨迹规划研究，再根据最优轨迹规划选取最佳物料拾取点，设计机器人高速高精度运动控制算法并进行仿真验证，最后搭建基于EtherCAT现场总线的控制系统并进行算法性能验证实验。主要研究内容如下:

(1) BS130机器人运动学与刚柔祸合动力学建模

分析双平行四边形码垛机器人的结构特点和工作原理，采用几何法进行运动学分析，得到运动学正、逆解，并推导出雅克比矩阵，建立关节空间与笛卡尔空间速度之间的关系。结合机器人自身特点，对柔性关节进行简化，建立考虑关节柔性的机器人刚柔祸合动力学模型，并通过ADAMS建立机器人虚拟样机模型，进行柔性影响仿真分析以及刚柔祸合动力学模型验证。

(2)机器人能耗最优轨迹规划及算法实现

针对码垛机器人最常遇到的点到点的运动控制问题，以机器人运行过程中消耗的总能量为目标函数，以运行时间、电机转速及电机出力为约束，同时保证运行结束时的加速度为零(轨迹规划层面减少机器人末端残余振动)，将轨迹规划题转化为能耗问最优的泛函极值问题，在全局范围内求取能耗最低的运动轨迹，使机器人保证高速运行的同时实现最大程度的节能。在此基础上，针对码垛机器人相对固定垛型以及实际运行工况，寻找使整体码垛过程耗能最低的物料拾取点。

(3)机器人高速高精度运动控制算法设计

考虑到能耗最优轨迹的唯一性及码垛机器人工作的实际需求，运动控制算法一方面需要保证码垛机器人要求的高重复定位精度，另一方面也要保证较高的轨迹跟踪精度以更好地体现能耗最优轨迹的优势。所以设计并使用模糊滑模变结构控制对机器人进行控制，最后使用Simulink和ADAMS联合仿真，验证控制算法的有效性。

(4)轨迹规划与控制方法实验研究

搭建基于EtherCAT总线开放式控制系统和自主研发的双平行四边形码垛机器人本体的实验平台，设计基于TwinCAT编译环境的高速高精度运动控制算法程序。然后，开展机器人关节摩擦模型辨识实验，得到较为准确的关节摩擦模型。最后，开展机器人能量最优轨迹规划与控制实验，对机器人的重复定位精度、运行过程消耗能量等性能指标进行测试，验证能耗最优轨迹规划及控制算法的有效性。