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工业机器人鲁棒自适应PD控制的可行性研究
周烨;常德功;张海明;李松梅
【摘要】以HA006型工业机器人为例,针对常规的非线性PD控制器在应用中存在输出力矩较大的问题,提出了将鲁棒自适应PD控制策略应用于HA006型工业机器人实际控制的解决方案,并通过利用ADAMS/control和MATLAB/Simulink模块建立起的机器人联合控制系统仿真进行验证.当输入正弦指令时,跟踪信号与输入的正弦信号之间仅有较小的延时,可以较为准确地控制机器人的末端轨迹.仿真结果表明:建立的工业机器人联合控制系统具有良好的轨迹跟踪能力,证明了机器人的鲁棒自适应PD控制方法对HA006型工业机器人控制是可行的.
【期刊名称】《青岛科技大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2016(037)004
【总页数】5页(P446-450)
【关键词】机器人;联合仿真;自适应;控制;可行性
【作者】周烨;常德功;张海明;李松梅
【作者单位】青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061;青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061;青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061;青岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061
【正文语种】中文
【中图分类】TH16;TP242
从控制的观点来看,多自由度机器人系统是一个复杂的动态耦合系统,其数学模型具有明显的复杂性和非线性[1-4]。线性PD控制是最为简单有效的机器人控制方法,但往往要求驱动机构有很大的初始转矩,焦红梅等[5]提出了一种自适应鲁棒PD控制策略,避免了初始输出转矩过大的弊端。本研究针对常规的非线性PD控制器在应用中存在输出力矩较大的问题,提出了将鲁棒自适应PD控制策略应用于HA006型工业机器人实际控制的解决方案,并通过利用ADAMS/control和MATLAB/Simulink模块建立起的机器人联合控制系统进行仿真验证,证明了机器人鲁棒自适应PD控制方法对HA006型工业机器人控制是可行的。
1.1工业机器人模型的建立
ADAMS软件较难建立起复杂、精确的工业机器人三维模型,而这往往会影响仿真分析的准确性[6-8]。为此,首先利用Solidworks软件建立HA006型机器人的三维模型,如图1所示,具有6个旋转关节(腰关节、肩关节、肘关节和3个腕部关节(关节4、关节5、关节6)),能实现6个自由度的回转运动。
1.2工业机器人控制模型的建立
将其导入到ADAMS软件中,其模型如图2所示。
在ADAMS软件对导入的HA006型机器人的模型进行修正,设定机器人的相关特性,从而使得机器人的参数模型与实际机器人之间具有相同或者是相类似的性能,以便可以更好地进行检测。
对于HA006型工业机器人来说,6个自由度的控制系统的设计较为复杂,可以对其进行简化计算。其中,腰关节的运动速度比较小,而后3个腕部关节(关节4,关节5,关节6)对机器人运动的影响较小,可以将它们看作是控制系统的扰动,来简化模型。
将工业机器人系统模型作为被控系统导入至MATLAB的控制系统中。在MATLAB/Simulink模块中搭建联合仿真的控制系统。利用ADAMS/control模块实现在ADAMS和MATLAB之间相互的数据传递,如图3所示。
为实现机械系统与控制系统之间的参数传递,建立的简化联合仿真控制系统共有6个变量,包括2个转矩控制变量、2个关节位置变量和2个关节角速度变量。在ADAMS/control模块中,将2个转矩变量定义为输入变量,用来存放MATLAB中控制系统输出的转矩;将2个角位移与2个角速度变量定义为输出变量,用来控制系统中角位移及角速度的反馈输入。
工业机器人是一个多输入多输出、强耦合的复杂机电系统,要对其实现精确的控制比较困难。为此,先不考虑工业机器人的动态控制,只对其进行运动控制,使其能够准确的跟踪给定的轨迹曲线[9]。
为了避免需要输入的初始转矩太大的情况出现,本研究采用了非线性的比例积分反馈和补偿控制两个部分所组成的控制器。其中机器人不确定的动力学部分可以利用回归矩阵所组成的自适应控制器来进行补偿。机器人鲁棒自适应比例积分控制的控制方法可以保证在初始误差比较大的情况下,由PD反馈的方法来起主导作用;而当误差比较小的时候,令自适应控制器来起到主导作用,这样可以确保机器人的控制系统具有良好的运动特性[10]。
对于一个具有多个关节的工业机器人来说,HA006型机器人的动态特性可以用一个二阶非线性微分方程来进行表述:
。
其中:参数q为关节角位移量,参数D(q)为机器人的惯性矩阵,参数)表示的是离心力和哥氏力,参数G(q)为机器人的重力项,τ为机器人所需要的控制转矩,ω为产生的各种误差及扰动。
HA006型工业机器人的跟踪误差是e=q-qd,而跟踪误差的导数则是d。
引入变量r和变量d-γ
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