码垛机器人高速高精度运动控制算法设计

机器人视频 2020-09-04 16:10www.xuehaixcl.com机器人网
机器人高速高精度运动控制算法设计
1引言
码垛机器人在高速重载运行情况下,关节柔性的影响不容忽略,要实现对机器人基于能耗最优轨迹的高速高精度运动控制,就对控制系统的设计提出了更高的要求。由于高速码垛对于机器人的快速启停性能有很高的要求,所以需要考虑机器人在低速运行情况下阻尼的影响。本章将从高速高精度的性能要求出发,首先对机器人进行摩擦辨识,以减小低速运行情况下摩擦对控制的影响。之后使用模糊变结构滑模控制算法对机器人进行控制,并加入摩擦补偿,以提高机器人运行的轨迹跟踪精度,改善其动态响应性能,最后通过仿真分析验证上述算法的有效性。
2机器人关节的摩擦辨识
1 Lucre摩擦模型
在机器人系统中,关节摩擦的存在是影响机器人高动态性能的重要因素。常用的摩擦模型主要有静态模型及动态模型。静态模型能反映出摩擦力的变化趋势,但不能描述摩擦的动态变化过程,所以考虑使用动态模型对关节摩擦进行描述。较为经典的动态摩擦模型是Lucre模型,它能较好地解释摩擦学中的Stribeck效应,基本原理如图4-1所示,其中,:为鬃毛的平均弹性变形,、为接触面间的相对移动速度。
 
LuGre模型从微观角度出发描述摩擦这一宏观现象,它将物体间的接触等效为柔性鬃毛的接触,鬃毛的平均弹性变形之决定了摩擦力的大小,变形足够大时,鬃毛开始相对运动,达到稳态时,其变形大小由相对速度、决定。LuGre模型描述的摩擦力大小与相对速度之间的数学关系如式(4-1)所示。
 
 
因此,可以通过电机出力的大小获知摩擦力大小。实验时,通过闭环控制的方法,对单关节输入速度指令,使单关节在一定速度下匀速运动,实时记录电机输出力矩值的大小,即可得到稳态摩擦模型,从而估计摩擦参数。
3基于状态反馈的考虑摩擦补偿的模糊变结构滑模控制
码垛机器人的高速重载工况导致机器人关节的速度以及惯量很大,关节柔性的影响不容忽略,所以码垛机器人系统具有高度的非线性、时变性和不确定性。为了实现机器人系统的快速响应并尽量减小其超调,传统的PD前馈+计算力矩法方法不可行。此外,码垛机器人的应用中不便于在末端添加位移传感器,只能添加加速度传感器,而加速度传感器一方面带宽较低,另一方面由加速度信号积分得到位移信息较为复杂且精度较低,无法适应对控制系统快速响应的要求,这也限制了很多需要实时反馈的控制算法在码垛机器人上的应用。
因此,考虑对电机轴端的输出信号进行观测,通过刚柔祸合动力学模型估计杆件实际转动角度,将估计值与输入值的差值作为偏差信号,设计模糊变结构滑模控制器,以减小模型建立误差对控制效果的影响,最终加入摩擦补偿对机器人系统进行控制。

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