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重载码垛机器人关节摩擦模型辨识实验

时间：2017-12-07 来源：机器人在线阅读：8927

3机器人关节摩擦模型辨识实验

根据4.2.2节中的摩擦辨识原理，对机器人3个关节的摩擦参数进行辨识。实验通过闭环控制的方法，对单关节进行闭环位置控制，实现各关节在不同速度下的正反向匀速运动，记录电机轴的输出力矩序列，重复多次求均值，最后通过最小二乘法对数据进行处理，拟合得到摩擦模型参数。但是三个关节的辨识实验略有不同，由式(4-6)知，一轴的输出力矩无重力项，而二、三轴的输出力矩中包含重力项，所以一轴的摩擦可以直接使用电机输出力矩表示，而二、三轴的摩擦力辨识则需要引入重力补偿。

对比摩擦力实测值与拟合出的曲线可以看出，机器人关节在低速运行情况下，摩擦力的大小随速度的增大而减小，当速度较高时，关节摩擦与速度之间呈现出较好线性关系，这说明选取的Lucre模型及拟合所得的模型参数能较好地解释Stribeck效应，与实际摩擦特性基本吻合。此外，从表_5-1中的均方差值可以看出，对摩擦模型参数拟合的均方差值较小，说明参数辨识精度较高，当根据辨识模型在控制系统中引入摩擦补偿时，有利于控制精度的提高。

4机器人能耗最优轨迹规划和控制实验

由仿真分析知，模糊滑模变结构控制算法的设计保证了机器人在高速运转下的高轨迹跟踪精度及高重复定位精度，而能耗最优轨迹算法保证了机器人在高速运转情况下可较大幅度降低能耗。但是实际中可能存在未考虑到的因素，它们对于机器人控制及轨迹的运行时未知的，因此需要对机器人进行能耗最优轨迹规划以及控制实验，以验证算法的有效性。

1控制精度测试实验

本小节进行的控制精度实验是在对机器人进行零位标定之后完成。由于机器人本体设计时，在机器人杆件及底座上设计了确定零位的凹槽，所以通过控制三轴电机，使得凹槽相对应，即完成了机器人的零位标定。

归零后，对机器人进行重复定位精度测试实验。参考工业机器人性能指标测试国家标准GB/T 12642-2001的要求，选取机器人工作空间内的最大内接立方体的对棱平面的四角及中心点作为测试点，但是为了避免四角距离边缘过近导致运动越界出现报警情况，一般选取靠近四角的四个点作为测试点。根据BS130机器人的工作空间，最后选取测试点分布如图_5-7所示，在机器人笛卡尔空间内的具体坐标如表_5-2所示。

由图_5-9可以看出，高速运行情况下，机器人启动时的轨迹跟踪误差较大，最大达到0.127mm，但是随着时间的增长，轨迹跟踪误差迅速降低，说明了控制算法在快速响应及轨迹跟踪上有较好的性能。

重复进行_50次试验后，取每次试验最大轨迹跟踪误差的最大值作为模糊滑模变结构控制的轨迹跟踪精度，可得轨迹跟踪精度为±0.160mm，接近IRB 460的轨迹跟踪精度水平，说明了控制算法的有效性。

2能耗最优轨迹规划算法验证实验

为了验证能耗最优轨迹算法的有效性，对机器人进行能耗最优轨迹规划算法的验证实验。对于相同的起始点，分别进行七次多项式轨迹规划及能耗最优轨迹规划，在TwinCAT的PLC中分别输入七次多项式轨迹点值及能耗最优轨迹算法求得的数值离散点的值，控制机器人进行运动。在运行过程中，使用TwinCAT的NCtoPLC功能实时反馈运行过程中电机实际输出力矩值及实际转速值，进而得到电机的瞬时功率值，通过Scope功能对其进行记录。运行结束后，对实际消耗能量进行计算:

取每次测试所消耗能量的平均值为实际消耗能量值，得到七次多项式测试轨迹所消耗的能量为17.036kJ，能耗最优轨迹所消耗的能量为14.428kJ。这说明，在同样的起始点、终止点与运行效率的前提下，能耗最优轨迹可以使机器人运行的总能耗降低15.308%，这说明了能耗最优轨迹算法的有效性。此外，与仿真进行对比可以看出，实际消耗能量大于仿真结果，情况的出现可能是仿真时并未考虑摩擦力的因素。

本章在理论分析的基础上，基于EtherCAT建立了码垛机器人控制系统实验平台。首先通过位置控制对关节摩擦模型进行了辨识，得到了精度较高的摩擦模型。之后，将摩擦模型引入到了控制器中，进行了基于状态反馈的模糊滑模变结构控制器的控制器精度测试实验及能耗最优轨迹规划算法的验证实验。实验结果表明，该机器人重复定位精度可达士0.1_54mm，轨迹跟踪精度可达±0.160mm,精度指标接近国外先进水平。能耗最优轨迹下运行能耗较七次多项式轨迹降低了15.308%，说明了能耗最优轨迹规划方法的有效性。