关键词：机械臂;;阻抗控制;;ROS;;力跟踪;;自适应
摘 要：随着德国“工业4.0”方案以及我国“中国制造2025”这一重大战略规划的实施,机械臂在各行各业得到了快速的应用,在过去,机械臂主要用于完成搬运、码垛等仅靠机械臂位置控制功能便可完成的作业,而现在,机械臂被越来越多的用于打磨、装配、医疗手术等需要同时控制机械臂末端位置和末端接触力的作业中,即机械臂力/位置控制。本文通过对比分析现行的几种主要控制策略,针对基于位置的阻抗控制技术展开研究,主要研究内容如下:(1)分析六自由度机械臂的结构,使用D-H法建立机械臂关节坐标系并求其正运动学解,使用分离变量法求机械臂运动学逆解。以二关节机械臂为例,建立机械臂动力学模型,设计轨迹跟踪控制器,并在MATLAB下进行仿真。(2)使用ROS开发机械臂控制器,主要包括建立机械臂URDF模型,使用功能包集MoveIt!对机械臂进行轨迹规划,使用rviz交互界面控制机械臂在Gazebo中仿真,使用ROS下底层通信开发框架ros_control并基于CANopen协议开发模块化关节驱动程序,并使用move_group提供的API接口进行编程实验。(3)简述阻抗控制原理,通过公式推导在环境刚度变化以及环境位置不确定等对阻抗控制所造成的影响,将自适应控制算法引入阻抗控制器设计中,使系统增强对环境变化的适应能力,并根据李雅普诺夫原理求得参数调整规律,设计自适应阻抗控制系统。(4)在MATLAB/Simulink下建立阻抗控制系统仿真模型,分析阻抗控制参数特性。搭建平面力跟踪实验平台,设计阻抗控制器,通过仿真验证固定参数阻抗系统相比与自适应阻抗控制系统的不足之处。搭建曲面力跟踪实验平台,结合曲面轨迹预测和自适应算法设计控制系统证明系统可以适应环境刚度变化和位置的不确定性,并且系统具有较好的鲁棒性。
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