[發(fā)明專利]一種三關節(jié)點焊機器人軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410717775.0
• 申請日: 2014-12-16
• 公開（公告）號: CN105772917B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發(fā)明（設計）人: 李躍
• 申請（專利權）人: 蘇州繼企機電科技有限公司
• 主分類號: B23K11/11
• 分類號: B23K11/11;B25J9/16;B25J19/00
• 代理公司: 蘇州唯亞智冠知識產權代理有限公司 32289
• 代理人: 高玉蓉

1.一種三關節(jié)點焊機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征在于,所述方法包括以下步驟：

1)建立三關節(jié)點焊機器人系統(tǒng)的數(shù)學模型

所述點焊機器人具有五個自由度，其結構由一系列旋轉連桿和滑動關節(jié)順次串聯(lián)而成，將點焊機器人系統(tǒng)近似看成一個三關節(jié)剛性串聯(lián)的點焊機器人；建模方法包括牛頓歐拉法和拉格朗日方法，采用拉格朗日方法對水平三關節(jié)點焊機器人進行動力學建模，得到點焊機器人系統(tǒng)的動力學方程為：

式中M(q)為點焊機器人的3×3質量矩陣，是3×1的離心力和哥氏力矢量，G為3×1的重力項，τ為輸入力矩，其中

并且d＝[d₁ d₂ d₃]^T，d₁為旋轉關節(jié)變量，d₂、d₃為兩個移動關節(jié)變量，τ＝[τ₁ τ₂ τ₃]^T，τ₁、τ₂ 、τ₃分別為三個關節(jié)的輸入力矩，l₁、l₂、l₃分別為三個連桿的長度，m₁、 m₂、m₃分別為三連桿的質量，I_xl、I_y2、I_z3分別為各關節(jié)慣性矩轉動慣量，質量矩陣是對稱正定矩陣，為便于說明后續(xù)的帶解耦抗干擾控制器的設計過程，將式(1)寫成如下形式：

步驟2)三關節(jié)點焊機器人的控制算法的設計

帶有解耦控制的抗擾動控制算法包括三部分，包括跟蹤微分器、非線性反饋控制律和擴張狀態(tài)觀測器，其具體設計過程如下所示：

2.1)安排過渡過程：此過程是將三關節(jié)的參考運動軌跡v，經過跟蹤微分器獲得參考軌跡v的近似微分信號v₂，

同時獲得參考軌跡v的過渡信號v₁，將跳變的軌跡信號平滑化，防止產生超調，式(7)給出跟蹤微分器的具體形式：

其中，r為快速跟蹤因子，h為積分步長，h₀為濾波因子，fhan(e(k),v₂(k),r,h₀)為最速控制綜合函數(shù)，fhan(x₁,x₂,r,h)具體表達式如下：

2.2)擴張狀態(tài)觀測器的設計

用于估計系統(tǒng)每個關節(jié)中三個狀態(tài)變量的擴張狀態(tài)觀測器具有如下形式：

其中，e(k)為三關節(jié)點焊機器人參考軌跡值與實際運動軌跡估計值之差，即關節(jié)運動軌跡的誤差量，z₁(k)是對運動軌跡x₁(k)的估計，z₂(k)是對運動軌跡速度x₂(k)的估計，z₃(k)是對新擴張狀態(tài)量x₃(k)的估計，h是積分步長，fal(e(k),0.25,δ)為非線性函數(shù)，具體如式(10)所示，δ、β₀₁、β₀₂、β₀₃為一組待整定的參數(shù)，

其中，a為冪指數(shù)，δ為線性段的區(qū)間長度，sign()為符號函數(shù)，具體表達式如式(11)所示

2.3)非線性反饋控制律設計

此過程得到兩個誤差量，即e₁(k)＝v₁(k)-z₁(k)和e₂(k)＝v₂(k)-z₂(k)，經過非線性組合模塊可計算出控制量u₀(k)，計算過程如式(12)所示

為了補償系統(tǒng)中加速度項和內外擾動，在得到的控制量u₀(k)中減去z₃(k)得到新的控制量，即

步驟3)三關節(jié)點焊機器人系統(tǒng)的解耦過程

在式(6)中加入擾動項w(t)，將式(6)寫成如下形式：

其中，為含有內外總和擾動加速度項，w(t)為未知擾動，仿真時給定w(t)為隨機噪聲信號，控制量的放大系數(shù)b_ij是狀態(tài)變量的函數(shù)，即b_ij(d₁,d₂,d₃)，

在式(13)中，取

并引入“虛擬控制量”U＝[U_d1 U_d2 U_d3]^T，則有

簡寫成如下形式：

τ＝B^-1U (16)。

2.根據(jù)權利要求1所述的三關節(jié)點焊機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征在于，步驟2.1)中β₀₁、β₀₂、β₀₃大于噪聲或擾動的上界。