提高串聯(lián)機械臂運動精度的關(guān)鍵技術(shù)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(wù)機器人層出不窮，挖掘串聯(lián)機械臂的核心共性技術(shù)，探索國內(nèi)外串聯(lián)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(wù)。運動精度作為串聯(lián)機械臂的一個重要性能指標(biāo)，是機械臂完成操作任務(wù)的重要保證。隨著機械臂應(yīng)用環(huán)境的逐步復(fù)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?qū)е聶C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(lián)

2、機械臂的運動精度的關(guān)鍵技術(shù)展開研究具有非常重要的意義。
　　 本文以六自由度串聯(lián)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(jié)合的方法，以提高串聯(lián)機械臂運動精度為目標(biāo)，對其展開了較為全面的研究。內(nèi)容包括:精度分析、運動學(xué)建模、軌跡規(guī)劃和優(yōu)化、控制系統(tǒng)的研制、參數(shù)標(biāo)定及控制變量補償和主動動態(tài)平衡的實現(xiàn)。
　　 全文主要解決了串聯(lián)機械臂精度提升的理論分析和技術(shù)實現(xiàn)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(lián)機械臂軌跡優(yōu)化算法。對關(guān)節(jié)軌跡的執(zhí)行時間進(jìn)行歸一化處理，并在此基礎(chǔ)上提出一種五階關(guān)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(guān)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(guān)節(jié)軌跡的時間起點和執(zhí)行時間對關(guān)節(jié)運動軌跡曲線的影響。在此基礎(chǔ)上，以避免超調(diào)量、能耗最小、軌跡最平滑等指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)，計算關(guān)節(jié)軌跡執(zhí)行時間的最優(yōu)解集。通過數(shù)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(diào)

4、量、提高機械臂的工作效率，并且保證關(guān)節(jié)位置始終處于機械臂的運動空間。依據(jù)該方法構(gòu)建多關(guān)節(jié)運動時間間隔的約束條件，并以此為基礎(chǔ)完成串聯(lián)機械臂多關(guān)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(xué)誤差。針對機械臂關(guān)節(jié)位置閉環(huán)控制系統(tǒng)提出一種配對交叉實數(shù)編碼遺傳算法，優(yōu)化機械臂控制變量。同時，采用實時預(yù)測補償控制方法，將關(guān)節(jié)位置期望輸入信號以及根據(jù)位姿誤差預(yù)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(guān)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(jìn)行補償，以提升串聯(lián)機械臂的絕對定位精度。在串聯(lián)機械臂上進(jìn)行的實驗，結(jié)果表明該補償策略可有效提高串聯(lián)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(shè)計主動動態(tài)平衡機構(gòu)抵消機械臂承受的振動力或振動力矩。詳細(xì)介紹了實時的主動動態(tài)平衡技術(shù)。首先介紹一維力平衡機構(gòu)，分析機構(gòu)的動力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上研究一維力矩平衡機構(gòu)，分析旋轉(zhuǎn)圓盤的主動動態(tài)

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