機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題研究

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1、上海交通大學(xué)博士學(xué)位論文機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題研究姓名：許春山申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：控制理論與控制工程指導(dǎo)教師：曹廣益20031201博士學(xué)位論文中文摘要摘要自第一臺(tái)機(jī)器人問(wèn)世以來(lái)研制出剛?cè)嵯酀?jì)靈活自如的機(jī)器人一直是數(shù)代機(jī)器人專家努力的目標(biāo)而具備力控制能力是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)同時(shí)隨著機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用也要求機(jī)器人具有接觸力的感知和控制能力這就是機(jī)器人的力控制研究實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高精度力控制以完成裝配等各種各樣的操作可以從兩個(gè)方面入手一方面盡可能地提高機(jī)器人的位置控制精度這是成功實(shí)現(xiàn)力控制

2、的基礎(chǔ)另一方面使操作機(jī)器人具有主動(dòng)力控制能力也是提高機(jī)器人操作精度的一個(gè)有效途徑通常機(jī)器人的力控制需要加裝腕力傳感器等以提取并反饋末端的約束力信息但由于腕力傳感器存在成本高響應(yīng)速度慢易損壞以及力控制實(shí)現(xiàn)存在大量計(jì)算等原因使得它無(wú)法在工業(yè)裝配機(jī)器人上大規(guī)模應(yīng)用為此另一種無(wú)需末端傳感器的力控制方式關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制成為機(jī)器人力控制研究的一個(gè)重要分支由于它能克服上述腕力傳感的不足同時(shí)又特別適用于裝配等工業(yè)化應(yīng)用因此對(duì)機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制展開(kāi)研究十分必要又具有重要的應(yīng)用前景機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制涉及到幾個(gè)方面內(nèi)容因而對(duì)其實(shí)

3、現(xiàn)提出了很高的要求必須分別給予解決因此本文以國(guó)家八六三計(jì)劃智能機(jī)器人主題項(xiàng)目精密I號(hào)機(jī)器人為研究對(duì)象在其開(kāi)放式平臺(tái)的基礎(chǔ)上建立關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制平臺(tái)同時(shí)進(jìn)行力控制相關(guān)幾個(gè)方面的研究主要內(nèi)容及成果包括一建立開(kāi)放式機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制平臺(tái)并對(duì)其實(shí)時(shí)性進(jìn)行研究機(jī)器人控制器是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制的基礎(chǔ)而大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人所采用的封閉型的控制器限制了對(duì)涉及其內(nèi)部關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制方面的研究為此我們介紹了機(jī)器人開(kāi)放式控制器的概念并對(duì)其發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展前景進(jìn)行研究實(shí)時(shí)性是實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制的前提條件之一同時(shí)也是開(kāi)放式控制器發(fā)展過(guò)程中極為關(guān)

4、注的內(nèi)容為此我們?cè)诜治鰴C(jī)器人開(kāi)放式控制器實(shí)時(shí)性影響因素的基礎(chǔ)上對(duì)各主要因素進(jìn)行量化以優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法為基礎(chǔ)建立了適合于雙PC結(jié)構(gòu)機(jī)器人開(kāi)放式控制器的實(shí)時(shí)性分析模型在精密I號(hào)機(jī)器人開(kāi)放式平臺(tái)的基礎(chǔ)上我們采用關(guān)節(jié)電流傳感方式反映關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的大小設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一套關(guān)節(jié)電機(jī)電流傳感裝置實(shí)現(xiàn)了精密裝配機(jī)器人基于電流檢測(cè)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩反饋建立了具有關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制能力的開(kāi)放式平臺(tái)針對(duì)該平臺(tái)我們對(duì)其實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析指出影響力控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的主要因素為制定力控制任務(wù)起到指導(dǎo)作用同時(shí)這也為本論文的進(jìn)一步的控制策略研究和算法研究做出基礎(chǔ)性工作博士

5、學(xué)位論文二分析機(jī)器人直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)原理并建立基于電流傳感的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩反饋控制系統(tǒng)直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)和普通電機(jī)相比具有力矩大轉(zhuǎn)速慢等特點(diǎn)同時(shí)由于其沒(méi)有傳動(dòng)機(jī)構(gòu)特別適合用于機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制研究因此它是本論文的研究對(duì)象本文中我們?cè)敿?xì)地分析了直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理進(jìn)行了包括功率驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)電機(jī)在內(nèi)的關(guān)節(jié)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩總體建模和干擾因素分析而采用我們?cè)O(shè)計(jì)的電流傳感裝置實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)可以進(jìn)一步改善系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)矩特性我們以單關(guān)節(jié)為對(duì)象進(jìn)行了相關(guān)的閉環(huán)力矩控制試驗(yàn)驗(yàn)證了用電流反饋實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)對(duì)于機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩干擾抑制的有效性同

6、時(shí)為后面多關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制打下基礎(chǔ)三首次建立了綜合考慮機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器摩擦等影響因素在內(nèi)的機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制系統(tǒng)完整動(dòng)力學(xué)模型為實(shí)現(xiàn)由關(guān)節(jié)電機(jī)側(cè)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制到末端力的控制我們必須考慮機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)影響因素同時(shí)為實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩的控制我們還需要對(duì)其關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器以及各種影響因素進(jìn)行分析因此我們對(duì)綜合這些因素的機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的建模在建模的基礎(chǔ)上我們還對(duì)模型的穩(wěn)定性問(wèn)題進(jìn)行分析為后面的機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制提供基礎(chǔ)四提出一種自適應(yīng)終端滑模變結(jié)構(gòu)控制算法并將它應(yīng)用到機(jī)器人位置控制系統(tǒng)中為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的高性

7、能控制我們對(duì)其控制器的穩(wěn)定性快速性以及魯棒性提出了要求而同時(shí)由于在建模及負(fù)載過(guò)程中存在著不確定性要求機(jī)器人控制器具有自適應(yīng)能力為此我們提出了一種自適應(yīng)終端滑模變結(jié)構(gòu)控制算法在分析其魯棒性的基礎(chǔ)上我們結(jié)合精密I號(hào)機(jī)器人的前兩個(gè)關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證其控制性能證明算法的可行性五對(duì)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行處理得到一種新的力/位混合控制系統(tǒng)模型結(jié)合該模型我們分別進(jìn)行關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制和位置控制這是我們進(jìn)行機(jī)器人關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制的實(shí)現(xiàn)方式力/位混合控制為此我們對(duì)建立起來(lái)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行正交分解并在此基礎(chǔ)上分別進(jìn)行關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩位置

8、控制和力控制我們將前面提出的自適應(yīng)終端滑模變結(jié)構(gòu)控制算法應(yīng)用到位置控制過(guò)程由于關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩閉環(huán)在電機(jī)側(cè)因此我們采用計(jì)算力矩法實(shí)現(xiàn)力控制最后我們給出相關(guān)的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果以驗(yàn)證關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩力控制的效果關(guān)鍵詞機(jī)器人直接驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)矩控制電機(jī)控制力控制終端滑模變結(jié)構(gòu)控制自適應(yīng)控制開(kāi)放式控制器實(shí)時(shí)性分析博士學(xué)位論文英文摘要ABSTRACTWearetryingtodevelopaflexibleintelligen