多自由度機器人慣性誤差反饋融合閉環控制方法初探

劉 康

（仙桃職業學院，湖北 仙桃 433000）

自由度是機器人的一個重要技術指標，也是機器人能夠靈活運動的關節的數量，靈活度反映了機器人的靈活性，以及機器人在做動作時的難易程度。多自由度機器人是指具備多個能夠獨立且靈活運動關節的機器人，如今在工業生產中，三軸和四軸機器人較為常見。

多自由度機器人被應用于各種工業生產過程之中，多自由度機器人的使用，減少了員工體力的耗費，節約了時間，使得生產工作更加高效地進行。但是，多自由度機器人在生產過程中也會出現誤差，這在一定程度上影響了企業的生產，誤差的減少就成了多自由度機器人發展過程中的一個重要問題。多自由度機器人慣性誤差反饋融合閉環控制方法的出現，為這一問題的解決提供了新的方法。

1 傳統方法中多自由度機器人控制方法中的問題

傳統的多自由度機器人的控制主要采用模糊PID方法、智能積分控制法、魯棒控制法等，通過建立多自由度機器人模型，將機器人參數信息與傳感器信息、智能控制等進行結合，使自由度機器人信息能夠得以跟蹤、控制。傳統的多自由度機器人的跟蹤多是非線性的反饋、跟蹤、識別技術，該方法對于多自由度機器人的控制誤差不能進行較好的反饋，使其不能擁有良好的自適應性。除此之外，傳統的多自由度機器人的控制還采用延時脈沖估計法進行跟蹤控制，但該方法使多自由度機器人的控制環境的適應性達不到一定的標準，具有較大的延時性。人工智能技術的發展使各類型機器人的控制性能在不斷地提高，對多自由度機器人的設計與智能控制方法研究可以提高機器人工作穩定性，具有十分重要的意義。

2 多自由度機器人慣性誤差反饋融合閉環控制

2.1 受力參數優化分析模型和動力學模型的應用

在研究開始時，先給多自由度機器人進行機器人控制參數辨析模型的分析，在這一參數辨析模型分析的基礎上，為多自由度機器人進行控制律的進一步提升。在這一過程中，需要為多自由度機器人建立受力參數分析優化模型以及動力學模型。與此同時，結合多自由度機器人的誤差反饋機制的自我改良以及修正和機器人的慣性補償來進行針對多自由度機器人的控制律的設計。

首先，我們假設機器人具有三個軸，也就是該機器人是三自由度的機器人，一個三連桿機構，我們可以用一個3×3的矩陣來展現該多自由度機器人的動力參數分布。之后，運用模型參數識別這一策略方法，計算出該機器人的變剛度關節驅動矩陣，進而得到該多自由度機器人的變剛度關節驅動狀態函數。最后，運用模糊度辨識模型，建立一個有關多自由度機器人無間斷循環運動的一個控制對象模型，并運用最優參數估計法得出該機器人的誤差反饋的持續無間斷的跟蹤結果。將這一跟蹤結果進行優化設計，之后來進行多自由度機器人的誤差反饋的自我修正和改良，以及誤差反饋的跟蹤識別。

2.2 誤差反饋自適應修正和控制律的優化

在進行多自由度機器人的在閉環控制過程中的參數的自適應尋優工作時，可以運用慣性補償方法以及誤差反饋自適應修正法，最終得到該多自由度機器人的結構構件控制的矩陣和該多自由度機器人的剛度矩陣。觀察該多自由度機器人的姿勢環的狀態反饋結果，可以得出該多自由度機器人對于環境的適應度系數。之后，對環境適應度系數進行分析，我們可以進一步得到該機器人的反饋控制輸出。

2.3 實驗與結果分析

在進行多自由度機器人慣性誤差反饋與融合跟蹤控制的應用性能方面做了大量的實驗，采用計算軟件對機器人控制算法進行設計，通過設計相關參數的初始條件，通過線性反饋進行初試迭代，對控制器反饋增益、力矩系數、等效阻尼系數、慣性誤差修正迭代步長等進行控制，對相關參數進行設定，通過對對自由度機器人進行閉環控制。得出相關的正弦信號和方波信號。分析相關圖像得出機器人的慣性誤差反饋融合跟蹤控制與參考輸入端的控制量無關，無論是正弦信號還是方波信號，得出的機器人跟蹤性能良好，機器人的控制誤差較小，實驗過程中能夠在較短的時間內得到最優值。不同的測試方法得到的慣性誤差反饋融合跟蹤控制的迭代誤差不同，采用閉環控制得到的迭代誤差較小，收斂性較好，控制穩定性較高，在短時間內可使其達到收斂的穩定狀態。

采用閉環控制方法對多自由度機器人進行誤差反饋融合跟蹤，通過控制相關參數進行模型辨識，通過慣性誤差反饋融合結果進行控制約束量與控制律進行設計，通過建立多自由度機器人的循環運動控制模型，采用最優化的參數估計對多自由度機器人的姿態環、自適應性、反演等進行反饋與控制，這種閉環控制方法不僅可以提高機器人控制的穩定性與魯棒性，而且可以減小機器人的迭代誤差，使其具備較高的收斂性，該方法的應用價值較高。

總結以上操作步驟以及所得出的觀察結果、結論以及公式等，我們可以建立多自由度機器人慣性誤差反饋融合閉環控制律，運用參數尋優的最終結果，將這些結果傳輸給機器人，讓多自由度機器人進行自身位置以及姿勢的調整，使得機器人的穩定性進一步加強。

3 多自由度機器人閉環控制方法的作用效果以及意義

多自由度機器人閉環控制方法的提出以及應用能夠進一步提升多自由度機器人的控制的穩定性以及魯棒性。多自由度機器人閉環控制方法的提出以及應用可以在一定程度上減少多自由度機器人在生產過程中出現的誤差的數量，同時，多自由度機器人的生存能力以及抵御風險的能力進一步提高，在面臨外界環境影響以及自身結構等變化時，能夠保持相對的穩定。

首先，多自由度機器人閉環控制方法的提出可以促進一些工廠生產效率的提升；對于那些使用多自由度機器人進行生產的工廠，多自由度機器人閉環控制方法的提出可以減少這些自由度機器人在生產過程中存在的誤差，這同樣也減少了工廠生產成本，進一步提高了工廠的生產效率。其次，這一多自由度機器人閉環控制方法的提出，也為之后機器人的生產、控制，以及穩定性的提高提供了進一步研究與發展的思路，具有極其重要的應用價值。

多自由度機器人是指具備多個能夠獨立且靈活運動關節的機器人，被應用于各種工業生產過程之中，多自由度機器人的使用推動了生產活動更加高效地進行。但是在生產過程中，多自由度機器人由于受到外界環境影響又或者是自身結構的影響，可能會出現一些誤差，這在一定程度上影響了生產活動順利、正常的進行。多自由度機器人慣性誤差反饋融合閉環控制方法主要包括受力參數優化分析模型、動力學模型以及誤差反饋自適應修正和控制律的優化，這一方法的應用可以減少多自由度機器人在生產過程中出現的誤差對于之后的機器人研究也有重要意義。