关键词：六自由度机械臂;;轨迹跟踪控制策略;;PD控制;;模糊滑模控制;;TwinCAT3
摘 要：多关节串联机械臂凭借其高速、定位精度高、灵活性好等优势在工业生产中发挥着日益重要的作用。由于机械臂结构具有高度非线性、强耦合等特性,高精度轨迹跟踪控制技术的研究一直是国内外学者研究的热点问题,本文以工业生产中应用最为广泛的六自由度机械臂为研究对象,围绕对系统轨迹跟踪精度影响较大的运动学、动力学及控制策略等问题开展了系统的理论分析、数值仿真及试验验证等研究。首先,为实现机械臂的可编程化,基于D-H姿态描述方法,建立连杆坐标系并确定相应结构参数,求解机械臂正、逆运动学数值计算模型,并对建立的机械臂模型分别进行了关节空间和笛卡尔空间的轨迹规划分析。基于牛顿—欧拉递推法建立了机械臂动力学模型,并对机械臂动力学特性进行了分析讨论,为基于前馈补偿的控制算法的设计提供了理论依据。其次,分别对基于近似假设的独立关节线性控制和基于动力学模型的非线性控制,这两类常规控制策略进行了深入的研究。在独立关节伺服控制的速度环中引入重力补偿,有效降低了系统抖振幅度;在位置环引入速度补偿,避免了因位置环输出为零导致的系统误差。基于模糊滑模的控制策略,在传统的鲁棒控制基础上,设计单输入单输出模糊逻辑学习滑模控制的趋近项,该控制算法在保证系统实时性的基础上,对传统算法自适应能力有限、初始力矩过大、抖振等问题有明显改善。最后,基于TwinCAT3软件开发平台采用ST语言编程实现了基于前馈补偿嵌套PD算法在六自由度工业机械臂上的应用控制,并基于测试实验结果对轨迹跟踪精度和系统误差进行了分析。
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