關(guān)于工業(yè)機(jī)器人的高速高精度控制方法的探討

摘 要：工業(yè)機(jī)器人的高速高精度控制是反映機(jī)器人性能的重要因素，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)越來越智能化、精密化，對生產(chǎn)質(zhì)量提出了更高的要求，追求高速高精度控制是機(jī)器人設(shè)計(jì)以及實(shí)踐過程中的必然要求。工業(yè)機(jī)器人的高速高精度控制方法策略較多，但最終的目的在于在確保機(jī)器平穩(wěn)運(yùn)行的同時(shí)，克服干擾因素，提高運(yùn)行速度、精度，文章簡要介紹了基于魯棒有限時(shí)間控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，同時(shí)基于三軸并聯(lián)機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡單的構(gòu)建可拓自適應(yīng)控制模型。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人；高速高精度控制；軌跡控制

工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)的重要設(shè)備，也是智能工業(yè)發(fā)展的核心設(shè)備。為了滿足現(xiàn)代化產(chǎn)品加工需要，工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)速度越來越追求高速化，但再高速度作業(yè)的同時(shí)，賦予了機(jī)器設(shè)備更高的動(dòng)能，直接影響作業(yè)的精度，精度是影響產(chǎn)品設(shè)配質(zhì)量的重要因素，產(chǎn)品的質(zhì)量是企業(yè)的核心競爭力元素之一[1]。追求高速高精度是工業(yè)機(jī)器人發(fā)展的必由之路。本次研究試簡要的概述幾種工業(yè)機(jī)器人高速高精度控制策略，并試探討基于三軸并聯(lián)機(jī)器人開展可拓自適應(yīng)控制及技術(shù)。

1 工業(yè)機(jī)器人高速高精度控制概述

1.1 概述

工業(yè)機(jī)器人是工業(yè)生產(chǎn)重要設(shè)備，我國工業(yè)機(jī)器人數(shù)量已超過20000臺，居世界第一位。但遺憾的是，我國機(jī)器人大多數(shù)從歐美日等國進(jìn)口，國內(nèi)工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)品質(zhì)量相對較低，特別是在高速高精度方面有較大的差距。以ABB公司產(chǎn)的IRB120型六自由度機(jī)器人為例，TCP最大速度達(dá)到6.2m/s，最大加速度28m/s2，重復(fù)定位精度±0.01mm。工業(yè)機(jī)器人已進(jìn)入了智能化、高速化、高精度、模塊化發(fā)展趨勢。機(jī)器人控制技術(shù)是工業(yè)機(jī)器人的核心技術(shù)，是相關(guān)領(lǐng)域研究熱點(diǎn)，研究的主要目的有二：（1）保證機(jī)器人平穩(wěn)可靠的運(yùn)動(dòng)，涉及避免高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械振動(dòng)、奇異點(diǎn)處理、軌跡規(guī)劃技術(shù)等；（2）提高機(jī)器人的運(yùn)行速度、控制精度，涉及本體結(jié)構(gòu)優(yōu)化、運(yùn)動(dòng)伺服控制技術(shù)等。工作空間的奇異點(diǎn)回避、動(dòng)力學(xué)參數(shù)辨識等也是本次研究論述的重點(diǎn)。

1.2 主要策略

機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)非線性、耦合的多輸入多輸出系統(tǒng)，存在許多不確定因素，如測量誤差、干擾力矩、負(fù)載變化、隨機(jī)擾動(dòng)等，這些不確定因素直接影響機(jī)器人性能的提高。有限時(shí)間控制方法指再有限時(shí)間能使機(jī)器人達(dá)到穩(wěn)定點(diǎn)的一種控制策略，能夠具有較好的收斂性，提高控制精度。魯棒性有限時(shí)間控制是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，其主要目的在于將有限時(shí)間內(nèi)收斂于零，目前比較熱門的控制方法為齊次控制系統(tǒng)、函數(shù)構(gòu)造法、終端滑膜控制方法，近年來人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展迅速，也開始應(yīng)用于有限時(shí)間控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型借鑒生物局部調(diào)節(jié)、交疊接受區(qū)域作用，構(gòu)建函數(shù)模型映射的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，理論上其同多層感知網(wǎng)絡(luò)一樣，能以任意精度逼近任意的連續(xù)非線性函數(shù)，具有較大的發(fā)展?jié)摿2]。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本模型：輸入層，分為n層，隱含層分為i層，輸出層分為m層，每個(gè)輸入層都可接入到所有隱含層，每個(gè)隱含層接入到所有的輸出層，輸出層SHI一個(gè)線性組合，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是由高斯函數(shù)組成的，輸出層組合yi= wjihi=w H（j=1，2，...，m），其中Wj=[Wj1，Wj2，…，WjI]T，H=[h1，h2，…，hI]T。考慮機(jī)器人的動(dòng)力模型為M其中q， ， ∈Rn 分別為關(guān)節(jié)位置、速度和加速度向量。M（d）∈Rn×n為對稱正定的慣性矩陣，C（q， ）∈Rn×n為哥氏力和向心力矩陣，G（q）∈Rn為重力向量項(xiàng)，？子∈Rn為各關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩，？子∈Rn為各種外界干擾等效干擾力矩。有限的時(shí)間控制方法最終的目的在于使機(jī)器人各關(guān)節(jié)變量q能夠達(dá)到期望值qd，使誤差會(huì)e能夠在有限的時(shí)間內(nèi)快速收斂到0，同時(shí)能夠確保機(jī)器人對不確定有足夠的魯棒性。在確立魯棒性有限時(shí)間控制策略，并建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型后，還需要解決機(jī)魯棒延時(shí)、運(yùn)動(dòng)不確定性等問題[3]。

2 基于三軸并聯(lián)機(jī)可拓自適應(yīng)控制技術(shù)

三軸并聯(lián)機(jī)器人由上平臺、下平臺以及三條完全相同的運(yùn)動(dòng)支鏈構(gòu)成，下平臺為動(dòng)平臺，為執(zhí)行端，下平臺為靜平臺，固定在機(jī)架上，主動(dòng)臂位于上平臺上，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下可在一定范圍內(nèi)擺動(dòng)，從動(dòng)桿通過控制伺服電機(jī)位置與速度，實(shí)現(xiàn)平臺在三個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。三軸并聯(lián)機(jī)器人也是當(dāng)前我國保有量最大的工業(yè)機(jī)器人之一，設(shè)備簡單、維護(hù)成本低、易于控制。自適應(yīng)控制機(jī)器能夠處理不變與慢時(shí)變問題，可拓控制器善于處理時(shí)變、突變問題，兩者結(jié)合是解決并聯(lián)機(jī)器人控問題的可行方法，理論上可獲得較好的控制效果，避免高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的擾動(dòng)。

并聯(lián)機(jī)器人的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，但也比串聯(lián)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，人機(jī)界面、控制算法通過PC實(shí)現(xiàn)交互，設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)控制卡，運(yùn)動(dòng)控制卡控制伺服驅(qū)動(dòng)器、伺服電機(jī)，最終控制并聯(lián)機(jī)器人操作界面，伺服驅(qū)動(dòng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)、操作界面?zhèn)鞲衅鳙@得信息回傳給運(yùn)動(dòng)控制卡，后者根據(jù)控制策略進(jìn)行調(diào)整，最終實(shí)現(xiàn)精確控制。可拓自適應(yīng)性控制器是控制設(shè)計(jì)的核心。我假設(shè)取偏差e和偏差微分 作為特征量，設(shè)未控制對象偏差容許范圍為（-eom， om）確定偏差微分范圍。系統(tǒng)可調(diào)節(jié)最大的偏差、偏差微分為em、em，特征狀態(tài)（e， ）可拓集合記作經(jīng)典域?yàn)镽oy，可拓展域?yàn)镽y，設(shè)（e， ）特征平面的圓點(diǎn)位S0（0，0），記作M0= ，M-1= ，則定義e- 上任意一點(diǎn)S（e， ）滿足關(guān)聯(lián)函數(shù)：K（S）={1-|SS0|/|M0|，S∈Roy，（Mo|SSo|）/（M-1-Mo），S？埸Roy}其中|SS0|= ，對于測度模式M2，特征狀態(tài)處于-1≤K（S）≤0的范圍內(nèi)，可拓控制研究的主要內(nèi)容，控制器輸出為（ut）=y（t）/k+KciK（S）（-sgn（e））+？著，其中y（t）為當(dāng)前時(shí)刻被控制量的采樣值，u（t）為控制器輸出，k為過程中的靜態(tài)增益，Kci為控制系數(shù)，S為特征狀態(tài)，K（S）為特征狀態(tài)的關(guān)聯(lián)函數(shù)，sgn（e）為加權(quán)偏差。

3 結(jié)束語

工業(yè)機(jī)器人越來越精密化、現(xiàn)代化，在進(jìn)行控制設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮的因素也越來越復(fù)雜，但無論采用何種控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的最終目的在于構(gòu)建一種能夠確保儀器正常運(yùn)行情況下，全面考慮關(guān)鍵干擾因素，最大程度使操作誤差收斂達(dá)到接近理想目標(biāo)“O”。在模型構(gòu)過程中，需要采用大量的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)者需要充分的了解機(jī)器設(shè)備的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，合理的構(gòu)建模型，了解關(guān)鍵的干擾因素，必要時(shí)吸收借鑒他人的成果，構(gòu)建模型后進(jìn)行仿真訓(xùn)練。作為機(jī)器人的操作者，也應(yīng)了解控制模型，掌握在人機(jī)界面上輸入調(diào)整參數(shù)策略，及時(shí)通過數(shù)據(jù)反饋發(fā)現(xiàn)故障。

參考文獻(xiàn)

[1]丁學(xué)恭.機(jī)器人控制研究[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，2006.

[2]劉宇，李瑰賢，夏丹，等.基于改進(jìn)遺傳算法辨識空間機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，11：1734-1739.

[3]吳勃，許文芳，陳虹麗.神經(jīng)滑模控制在機(jī)器人軌跡跟蹤中的應(yīng)用[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2009，13（S1）：99-104.

作者簡介：黃爽（1976-），女，漢族，浙江臺州人，講師，碩士，主要研究方向：機(jī)電設(shè)計(jì)及控制。

楊慶華（1964-），男，漢族，義烏人，教授，博士，主要研究方向： 機(jī)器人技術(shù)；金屬精密塑性成形。