工业机器人鲁棒自适应PD控制的可行性研究.docx

工业机器人鲁棒自适应PD控制的可行性研究周牌;常德功;张海明;李松梅【摘要】以HA006型工业机器人为例,针对常规的非线性PD控制器在应用中存在输出力矩较大的问题提出了格咎棒自适应PD控制策略应用于HA006型工业机器人实际控制的解决方案,并通过利用ADAMS/contro1.和MAT1.ABZSimuIink模块建立起的机器人联合控制系统仿真进行脸证.当输入正弦指令时,跟踪信号与输入的正弦信号之间仅有较小的延时,可以较为准确地控制机器人的末端轨迹.仿真结果表明:建立的工业机器人联合控制系统具有良好的轨迹跟踪能力,证明了机器人的告棒自适应PD控制方法对HA006型工业机器人控制是可行的.【期刊名称】青岛科技大学学报(自然科学版)【年倦),期】2016(037)004【总页数】5页(P446-450)【关健词】机器人;联合仿真;自适应;控制;可行性【作者】周辉常德功;张海明;李松梅【作者单位】青岛科技大学机电工程学院山东吉岛266061清岛科技大学机电工程学院,山东青岛266061;青岛科技大学机电工程学院山东吉岛266061;青岛科技大学机电工程学院山东青岛266061【正文语种】中文【中图分类】TH16JP242从控制的观点来看，多自由度机器人系统是一个复杂的动态耦合系统，其数学模型具有明显的更杂性和m唆性1-4.线性PD控制是最为简单有效的机器人控制方法，但往往要求驱动机构有很大的初始转矩,焦红梅等5提出了一种自适应鲁棒PD控制策略，避免了初始输出转矩过大的弊端。本研究针对常规的非线性PD控制器在应用中存在输出力矩较大的问题，提出了将咎棒自适应PD控制策略应用于HA006型工业机器人实际控制的解决方案,并通过利用ADAMS/contro1.和MAT1.AB/Simu1.ink模块建立起的机器人联合控制系统进行仿真验证，证明了机器人鲁棒自适应PD控制方法对HA006型工业机器人控制是可行的.1.1 工业机器人模型的建立ADAMS软件较难建立起复杂、精确的工业机器人三维模型，而这往往会影口向仿真分析的准确性6-8.为此,首先用So1.idworks软件建立HA006型机器人的三维模型，如图1所示，具有6个旋转关节（腰关节、肩关节、时关节和3个腕部关节（关节4、关节5、关节6）,能实现6个自由度的回转运动。1.2 工业机器人控制模型的建立将其导入到ADAMS软件中，其模型如图2所示。在ADAMS软件对导入的HA006型机器人的模型进行修正，设定机器人的相关特性，从而使得机器人的参数模型与实际机器人之间具有相同或者是相类似的性能，以便可以更好地进行检测.对于HA006型工业机器人来说，6个自由度的控制系统的设计较为复杂，可以对其进行简化计算。其中，腰关节的运动速度比较小，而后3个腕部关节（关节4.关节5.关节6）对机器人运动的影响较小，可以将它们看作是控制系统的扰动，来简化模型。将工业机器人系统模型作为被控系统导入至MAT1.AB的控制系统中。在MAT1.AB/Simu1.ink模块中搭建联合仿真的控制系统.利用ADAMS/contro1.模块实现在ADAMS和MAT1.AB之间相互的数据传递，如图3所示.为实现机械系统与控制系统之间的参数传递,建立的简化联合仿百控制系统共有6个变量，包括2个转矩控制变量、2个关节位目变量和2个关节角速度变量。在ADAMSZcontroI模块中，将2个转矩变量定义为输入变量，用来存放MAT1.AB中控制系统输出的转矩；将2个角位移与2个角速度变量定义为输出变量，用来控制系统中角位移及角速度的反馈输入。ZD1.k机器人是一个多输入多输出、强糖合的豆杂机电系统，要对其实现精确的控制比较困难.为此，先不考虑工业机器人的动态控制，只对其进行运动控制，使其能够准确的跟踪给定的轨迹曲线9.为了避免需要输入的初始转矩太大的情况出现，本研究采用了非线性的比例积分反馈和补偿控制两个部分所组成的控制器.其中机器人不确定的动力学部分可以利用回归矩阵所组成的自适应控制器来进行未机器人含棒自适应比例积分控制的控制方法可以保证在初始误差t匕较大的情况下,由PD反馈的方法来起主导作用；而当误差比较小的时候，令自适应控制器来起到主导作用，这样可以确保机器人的控制系统具有良好的运动特性UO1.对于一个具有多个关节的工业机器人来说，HAoO6型机器人的动态特性可以用一个二阶非线性微分方程来进行表述：其中：参数q为关节角位移量，参数D(q)为机器人的惯性矩阵，参数)表示的是离心力和哥氏力,参数G(q)为机器人的垂力项，为机器人所需要的控制转矩，为产生的各种误差及扰动。HAoo6型工业机器人的跟踪误差是e=q-qdf而跟踪误差的导数则是d.引入变量r和变量d-e,其中的Y为大于零的常数。结合式得其中：P为描述机器人质量特性的未知定附参数向量，r）为关节变量的回归走阵.当机器人的扰动误差的上确界是未知的时候，本研究采用的控制器为O其中:Kp、Kv为控制参数，u为自适应率.O其中：参数为d的估值,d=d1.+d2+d31d1.、d2、d3为正常数，IMI,;参数；参数f=max（1.re,;其中Y1.2为任意正常数.控制系统模型,描述机器人质量特性的制定常参数向量的参数估计律取*其中，为正定对称矩阵.对简化以后的HA006型机器人来说，取控制器的关节变量的回归矩阵r）的表达式为O式中：21=0;其中:e1.=gr1.fg=9.8控制系统模型保证了不确定系统稳定性以及达到满意的控制效果的鲁棒性。文献10证明，对于HAOO6型机潴人式式（5）所得控制律可以保证系统全局渐进稳定.采用S函数设计控制器，设置控制参数：Kp1.=diag(180,190),Kp2=diag(15O,15O),Kv1.=diag(180,190),Kv2=diag(15O,15O)利用ADAMS/contro1.和MAT1.ABZSimuIink模块建立HA006型工业机器人控制系统，如图4所示.其中，使用S函数来描述仿真过程中的仿真参数，包括机器人控制系统的指令信号、控制器和自适应算法.被控对象为简化的HAo06型机器人联合仿真系统（adams_SUb模块）由ADAMS软件来完成，通过这样的方式，就创建了一HA006型工业机器人的控制系统方框图.为了对机器人鲁棒自适应PD控制方法控制HA006型工业机器人是可行的进行验证，以正弦信号测试联合仿真控制系统的跟踪特性.在联合仿真控制系统中设首输入的初始状态的输入信号为HA006型机器人联合控制仿真的跟踪特性曲线,肩关节的角位移跟踪信号与输入的正弦信号之间的曲线t匕蛟如图5所示，肘关节的角位移跟踪信号与输入的正弦信号之间的曲线比较如图6所示.通过图5、图6中所绘制出的HA006型机器人联合控制仿真分析的结果可以看出，当输入的是正弦指令的时候,肩关节的角位移跟踪信号和肘关节的角位移跟踪信号与输入的正弦信号之间的形状基本相同，跟踪信号与输入的正弦信号之间仅有较小的延时，可以较为准确地控制机器人的梆轨迹.HA006型机器人联合控制仿真的肩关节理想速度与实际速度曲线如图7所示，时关节理想速度与实际速度曲线如图8所示。通过图7、图8可以看出，当输入的是正弦指令的时候，肩关节的实际速度和肘关节的实际速度与理想速度之间，除初始!时间外，曲线形状基本相同，实际速度曲线较为平滑，实际速度与理想速度之间仅有较小的延时，HA006型机器人联合控制仿真的运动过程连续平稳.由此可见，所设计的HAoO6型机器人联合控制系统具有良好的轨迹跟踪能力，运动过程连续平稳,也通过联合控制系统仿真说明了机器人自棒自适应PD控制方法对HA006型M机器人控制是可行的.以MAT1.AB与ADAMS技术相结合的机器人控制系统建模与仿宾的方法，具有质量好、效率高、实时性和可视性好等特点。通过对仿真结果的观察，可以直观准确地察看机器人的运动轨迹。利用ADAMS与MAT1.AB联合仿真控制系统(以HAoO6型:D1.k机器人为例),在机器人的扰动误差上确界未知时，利用机器人的鲁棒自适应PD控制方法对机器人进行控制.并以正弦信号对工业机器人联合仿真系统的性能进行测试，睑证了设计的HA006型机器人联合控制系统具有良好的轨迹跟踪能力，运动过程连续平稳，证明了机器人的鲁棒自适应PD控制方法对联合控制系统进行控制是可行的，为进一步多关节机器人控制系统的设计提供了基础.【相关文献】1方琛稀.基于ADAMS的机翳人动力学仿真研究D.北京晾邮电大学出版社;2009.FANGChenwei.TheDynamicAna1.ysisoftheRobotBasedonADAMSVirtua1.Conso1.eD.Beijing:BeijingUniversityofPostsandTe1.ecommunicationsPress,2009.(2张敬石秀华,吴一红百于ADAMS的三自由度水下机械手运动学仿司几机械设计与制迨2005(7):85-86.ZHANGMi,SHIXiuhua1WUYihong.Kinematicssimu1.ationforakindof3degreesoffreedommanipu1.atorbasedonADAMSJ.MachineryDesign&Manufacture,20(7):85-86.3杜志江张博,孙立宁,等.基于虚拟样机技术的双足机器人运动仿页研究(J1.系统仿真学JS,2007,19(19):4454-4456.DUZhijiang1ZHANGBo1SUN1.ining,eta1.Researchonmotionsimu1.ationofbipedwa1.kingrobotbasedonvirtua1.prototypetechno1.ogyJ.Journa1.ofSystemSimu1.ation,2007,19(19):4454-4456.4石静，金忠全.四自由度机器人的建模和仿亘组合机床与自动化11I技术，2012(3):37-39.SHI1.ei1JINZhongquanModeIIingandkinematicssimu1.ationof4-DOFrobotP1.Modu1.arMachineToo1.&AutomaticManufacturingTeChniqUe,2012(3):37-39.(5)焦红梅,李运修方T吗,等.一种机器人!8棒自适应控制法U).机器人技术与应用,20023:40-43.JIAOHongmei11.IYunfeng1FANGYiming,eta1.Arobotrobustadaptivecontro1.methodJ).RobotTechniqueandApp1.ication,2002,3:40-43.6康博理敬梅.基于ADAMS的6R机器人控制模型研究J.机床与液压2012(9):123-125.KANGBo1ZHA1.Jingmei.Researchon6Rrobotcontro1.mode1.basedonADAMS(J),MachineToo1.&Hydrau1.ics,2012(9):123-125.(7高道祥就定宇.基于MAT1.AB/Simu1.ink机器人二棒自适应控制系统仿直研究系缴J.系统仿百学报，2006(7):2022-2025.GAODaoxiangzXUEDingyu.Simu1.ationresearchofrobustadaptivecontro1.systemforroboticmanipu1.atorsbasedonMAT1.AB/Simu1.inkJ.Jouma1.ofSystemSimu1.ation,2006(7):2022-2025.8史庭套,历明勇*页向明,等.双足机器人基于AMAMS与Mat1.ab的联合仿直J).机械与电子,2007:45-47.SHIYaociang,UMingyongzDUNXiangmgeta1.Coordinatedsimu1.ationofbipedrobotbasedonADAMSandMat1.abJ.Machinery&E1.ectronics,2007(1):45-47.(9马如奇,郝双辉,邓伟峰,等与于MAT1.AB与ADAMS的机械瞥联合仿真研究团.机械设计与制造2010(4):93-95.MARuqi1HAOShuanghui1.DENGWeifeng,eta1.Researchoncoordinatedsimu1.ationofrobotarmbasedonMAT1.ABandADAMS(J.MachineryDesign&Manufacture,2010(4):93-95.10刘金琨.机器人控制系统的设计与MAT1.AB仿真Md匕京:大学出版社,2008.UUJinkunTheRobotContro1.SystemDesignandMAT1.ABSimu1.atio(M.BeijingJsinghuaUniversityPress,2008.