提高串聯機械臂運動精度的關鍵技術研究.pdf

1、隨著工業(yè)機器人的市場需求越來越大，各種類型的服務機器人層出不窮，挖掘串聯機械臂的核心共性技術，探索國內外串聯機械臂存在的問題并提供有效的解決方案是一項十分緊迫的任務。運動精度作為串聯機械臂的一個重要性能指標，是機械臂完成操作任務的重要保證。隨著機械臂應用環(huán)境的逐步復雜化，人們對機械臂的運動精度提出了更高的要求。但由于機械臂幾何誤差、環(huán)境噪聲、振動干擾等原因導致機械臂實際的運動性能與期望的高精度運動性能相比還有較大的差距。因此，對提高串聯

2、機械臂的運動精度的關鍵技術展開研究具有非常重要的意義。
　　 本文以六自由度串聯機械臂作為研制對象和實驗平臺，采用理論分析、仿真和實驗相結合的方法，以提高串聯機械臂運動精度為目標，對其展開了較為全面的研究。內容包括:精度分析、運動學建模、軌跡規(guī)劃和優(yōu)化、控制系統(tǒng)的研制、參數標定及控制變量補償和主動動態(tài)平衡的實現。
　　 全文主要解決了串聯機械臂精度提升的理論分析和技術實現兩個基本問題，并在以下幾個方面取得一些創(chuàng)新成果:<

3、br>　　 1、研究了串聯機械臂軌跡優(yōu)化算法。對關節(jié)軌跡的執(zhí)行時間進行歸一化處理，并在此基礎上提出一種五階關節(jié)運動軌跡插值算法，充分滿足軌跡給定的約束條件，保證關節(jié)位置軌跡、速度軌跡和加速度軌跡的連續(xù)性。通過理論分析和仿真驗證了關節(jié)軌跡的時間起點和執(zhí)行時間對關節(jié)運動軌跡曲線的影響。在此基礎上，以避免超調量、能耗最小、軌跡最平滑等指標作為優(yōu)化目標，計算關節(jié)軌跡執(zhí)行時間的最優(yōu)解集。通過數值仿真，證明優(yōu)化后的運動軌跡可有效避免位置軌跡的超調

4、量、提高機械臂的工作效率，并且保證關節(jié)位置始終處于機械臂的運動空間。依據該方法構建多關節(jié)運動時間間隔的約束條件，并以此為基礎完成串聯機械臂多關節(jié)軌跡規(guī)劃。
　　 2、提出一套簡單且實時性強的機械臂控制變量補償方法以減少甚至消除機械臂的運動學誤差。針對機械臂關節(jié)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)提出一種配對交叉實數編碼遺傳算法，優(yōu)化機械臂控制變量。同時，采用實時預測補償控制方法，將關節(jié)位置期望輸入信號以及根據位姿誤差預測估計的控制變量補償量作為控制

5、系統(tǒng)的參考輸入，優(yōu)化關節(jié)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，對機械臂末端執(zhí)行器的位姿誤差進行補償，以提升串聯機械臂的絕對定位精度。在串聯機械臂上進行的實驗，結果表明該補償策略可有效提高串聯機械臂的運動精度。
　　 3、為了減小機械振動對機械臂運動精度造成的影響，設計主動動態(tài)平衡機構抵消機械臂承受的振動力或振動力矩。詳細介紹了實時的主動動態(tài)平衡技術。首先介紹一維力平衡機構，分析機構的動力學模型。在此基礎上研究一維力矩平衡機構，分析旋轉圓盤的主動動態(tài)

6、平衡原理，將該平衡機構安裝在串聯機械臂上以實現機械臂一維力矩動態(tài)平衡。實驗驗證了該機構的動態(tài)性能以及其主動消振性能。最后，為了實現振動力和振動力矩的同時消除，設計一個緊湊、易安裝的三自由度動態(tài)平衡機構。
　　 論文為了滿足串聯機械臂嚴格的安裝空間限制要求，將平衡機構設計為由三個獨立運動的連桿構成。通過三個連桿旋轉運動產生期望的轉矩實現機械臂基座的力矩平衡，同時實時調整三個連桿在平面內的質心位置產生平衡力，從而同時實現機械臂基座的