[發明專利]一種三關節點焊機器人軌跡跟蹤控制方法

有效

• 申請號: 201410717775.0
• 申請日: 2014-12-16
• 公開（公告）號: CN105772917B
• 公開（公告）日: 2018-08-21
• 發明（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

本發明公開了一種三關節點焊機器人軌跡跟蹤控制方法，包括以下步驟：1)建立三關節點焊機器人系統的數學模型，在實際工程中要得到精確數學模型十分困難，在建立點焊機器人的數學模型時，需要對點焊機器人做合理的近似處理，忽略一些不確定性因素，利用拉格朗日方法對水平三關節點焊機器人進行動力學建模；2)擴張狀態觀測器設計，本發明采用擴張狀態觀測器可將不確定動態作為總和擾動的一部分進行估計。其可以有效地對多關節點焊機器人進行解耦控制，此方法對多關節機械人的不確定性和系統內外擾動以及模型不確定性均具有很強的抑制能力。

技術領域

本發明應用于機器人控制領域，涉及到工業機器人在實際應用中的軌跡跟蹤問題，尤其是汽車制造所用到的點焊機器人的路徑規劃和軌跡跟蹤，實現一種有效的實時控制方法。

背景技術

隨著計算機和自動化技術的發展，特別是第一臺計算機的誕生以來，計算機取得了巨大進步，并逐漸向著巨型化、微型化、智能化、網絡化方向發展。同時，隨著工業規模不斷擴大，大批量生產的迫切需求推動了自動化技術的不斷進步，也為工業機器人的研發奠定了基礎。由于工業機器人的動作靈活、運動慣性小、通用性強等優點，目前已被廣泛應用到機械制造、電子、冶金、軍事和危險任務等領域。

工業機器人大致有三大部分組成，包括執行機構、驅動結構和控制系統。其執行機構部分是用來抓持工具，也就是工業機器人的末端執行器，根據不同的抓持工具和作業對象又分為多種結構方式，在此不再贅述；其驅動系統部分包括動力和傳動裝置，使得執行機構產生相應的動作，如常用到的伺服驅動、氣動裝置等；其控制系統部分則是整個系統的核心部分，控制整個機器人系統有條不紊精確執行相應的動作，其工作原理是將信號指令發送到驅動系統，其執行機構按照指令完成特定動作，并接收傳感器反饋回來的檢測信息，它通常是以 MCU、ARM或DSP等微控制器為主控制芯片，并輔助外圍電路設備，通過控制算法的研究和編程而實現對機械手的精確控制。工業機器人通常是多關節的，多關節機器人是一個非線性和不確定性系統，同時又是一個與運動學和動力學原理密切相關、強耦合的多變量復雜控制系統，因此，不管是工業機器人的數學建模，還是工業機器人的控制方法都帶來巨大挑戰。

為解決點焊機器人的軌跡跟蹤以及內外部擾動對點焊機器人的性能影響問題，常用的處理方法有傳統的PID控制、自適應控制、神經網絡控制、模糊控制以及迭代學習控制等。通常所用的PID控制方法是利用誤差來消除誤差的過程控制原理，它不依賴于系統的模型，而且簡單實用得到廣泛的應用。但是該方法存在因系統自身的慣性，導致系統輸出不能及時對跳變量跟蹤而產生超調的不合理情況，即快速性和超調之間有著不可調和的矛盾，同時由于積分環節具有滯后作用，這就使得誤差積分的反饋會使閉環系統反應遲鈍以及容易產生震蕩等問題。迭代學習法是通過算法本身的學習，在機器重復過程中能夠達到有效的控制。這對于像重復作業的機器人來說是非常有效的，然而迭代學習控制大多僅適用于那些可重復作業的系統，對收斂速度等控制品質來說做的還是不夠。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明的目的是提供一種不僅能對三關節的點焊機器人各關節進行很好有效地控制，也能解決各關節之間的耦合問題的軌跡跟蹤控制方法。

本發明解決其技術問題所采用的技術方案如下：

一種采用帶有解耦控制抗干擾技術的三關節點焊機器人的軌跡跟蹤控制方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1)建立三關節點焊機器人系統的數學模型。

一個五自由度的點焊機器人，其結構由一系列旋轉連桿和滑動關節順次串聯而成，由于末端執行器可以由前三個關節來控制，在不影響對系統動力學結構和控制算法研究的情況下，在此把點焊機器人系統近似看成一個三關節剛性串聯的點焊機器人。由于在實際建模過程中要得到精確數學模型是十分困難，所以在建立點焊機器人的數學模型時，可以考慮對點焊機器人結構做一定的近似處理，比如忽略一些不確定性因素。建模方法包括牛頓歐拉法和拉格朗日方法，本發明采用拉格朗日方法對水平三關節點焊機器人進行動力學建模，得到點焊機器人系統的動力學方程為：