关键词：工业机械臂;;动力学建模;;自适应控制;;内外环控制架构;;轨迹跟踪控制
摘 要：随着智能制造、制造产业升级等工业概念的提出及深入,工业机械臂得到了广泛的应用,一些高速、高精度的工业应用场合对机械臂的控制性能和定位精度提出了更高的要求。在复杂的工业应用环境下,一方面,机械臂的运行会受到关节柔性部件的非线性因素、关节耦合、摩擦以及负载扰动等干扰的影响,系统精确建模困难;另一方面,机械臂控制系统是一个多输入多输出、强耦合和参数时变的非线性系统,轨迹跟踪控制精度难以得到保证。本文以工业机械臂为研究对象,以提高机械臂轨迹追踪精度和动态性能为目的,对机械臂控制系统的自适应控制方法展开了研究。首先,根据能量平衡原理,基于欧拉-拉格朗日法建立多连杆机械臂的动力学模型,对机械臂进行整体描述,通过对机械臂模型中的动力学特性进行分析,得出机械臂模型与惯性参数线性相关的关系。对机械臂模型分析可知,由于机械臂模型中科氏力、离心力非线性因素的存在,机械臂在线性、定常增益参数控制器的作用下无法确保高精度追踪时变轨迹。应用欧拉-拉格朗日法对平面二关节机械臂进行动力学建模,并对已得机械臂模型关于惯性参数进行线性变换。其次,本文分析了机械臂在PD控制器的作用下轨迹追踪精度不高的原因,提出在反馈闭环回路中加入基于机械臂动力学模型的前馈补偿自适应控制器,并对机械臂闭环控制系统进行数值仿真。考虑到现有机械臂控制系统对用户不开放的局限,结合内外环控制架构,提出针对力矩不开放情况下的机械臂控制系统结构,通过外环自适应控制器对动力学模型中的非线性干扰因素进行动态补偿。仿真结果表明,自适应算法控制器的加入改善了机械臂控制系统的轨迹跟踪精度。传统意义上讲,机械臂上位机控制平台主要负责完成用户对机械臂运动控制指令的发送。结合内外环控制架构,本文搭建了一个基于现有机械臂系统的上位机控制平台。上位机控制平台预留了数据接口,以供用户进行自定义算法的设计。在力矩回路对用户不开放的情况下,用户借助本文所设计的控制平台,不仅可以对机械臂控制算法进行相关研究,同时由数值仿真结果可知外环自适应控制器的加入可以提高机械臂的追踪精度,改善机械臂的动态特性。最后,借助已搭建的机械臂控制平台,对基于机械臂动力学模型的自适应控制算法进行了实验验证。通过对比自适应控制算法加入前后机械臂的轨迹追踪精度可知,外环自适应控制器的加入能够改善机械臂控制系统的追踪精度,验证了本文所提自适应控制算法的有效性和合理性。
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