基于內(nèi)模的scara機器人軌跡跟蹤控制方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于內(nèi)模的SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法。不需要知道被控對象精確的數(shù)學(xué)模型，具有強魯棒性、高跟蹤精度、快速跟蹤速度，并且控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)節(jié)單一。為使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，需要在控制回路中添加濾波器f，濾波器中的參數(shù)λ是整個系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的響應(yīng)時間和控制精度，參數(shù)調(diào)整簡單明了，系統(tǒng)性能優(yōu)越。
【專利說明】基于內(nèi)模的SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及SCARA機器人軌跡跟蹤控制領(lǐng)域，具體是指為了使SCARA機器人在外界干擾大的情況下具有優(yōu)良的軌跡跟蹤性能，提出一種用內(nèi)?？刂圃碓O(shè)計機器人控制器的方法。此方法結(jié)構(gòu)簡單，控制性能優(yōu)越，可以在時變信號和外界干擾的情況下保持穩(wěn)態(tài)誤
差為零。
【背景技術(shù)】
[0002]機器人技術(shù)集機械、電子、計算機、自動控制、人工智能等基礎(chǔ)和高新學(xué)科領(lǐng)域的理論和技術(shù)于一體，機器人本體的設(shè)計需要考慮材料選擇、質(zhì)量分配、尺寸優(yōu)化等問題，需要應(yīng)用三維造型、有限元分析、運動學(xué)和動力學(xué)分析、最優(yōu)化理論等手段。機器人的控制系統(tǒng)涉及到伺服驅(qū)動、運動控制、計算機軟件等。機器人的人機交互系統(tǒng)需要采用高性能嵌入式系統(tǒng)，需要考慮安全性和易操作性。
[0003]SCARA機器人系統(tǒng)是一個復(fù)雜的多輸入多輸出的非線性系統(tǒng)，具有時變、強耦合和非線性的動力學(xué)特性。軌跡跟蹤控制是工業(yè)機器人控制中的一個重要內(nèi)容。機器人軌跡跟蹤控制是指通過給定各關(guān)節(jié)的驅(qū)動力矩，使機器人的位置、速度等狀態(tài)變量跟蹤給定的理想軌跡，對于整個軌跡來說，都需要嚴(yán)格控制。因此，軌跡跟蹤控制是十分復(fù)雜與困難，但也是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最為廣泛的控制方式。研究機器人軌跡跟蹤控制以及提高軌跡跟蹤控制的精度對機器人技術(shù)有著重要的意義。
[0004]對于自由運動的SCARA機器人來說，其控制器設(shè)計可以按是否考慮機器人的動力學(xué)特性而分為兩類:(I)完全不考慮機器人的動力學(xué)特性，只是按照機器人實際軌跡與期望軌跡間的偏差進行負(fù)反饋控制。這類方法通常被稱為運動控制。主要優(yōu)點是控制律簡單，易于實現(xiàn)。但對于控制高速高精度機器人來說，這類方法有兩個明顯的缺點:一是難于保證受控機器人具有良好的動態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)，二是需要較大的控制能量。(2)考慮動力學(xué)的控制器設(shè)計方法，根據(jù)機器人動力學(xué)模型的性質(zhì)設(shè)計出精細(xì)的非線性控制律。這類控制通常稱為動態(tài)控制。用這種方法設(shè)計的控制器可使被控機器人具有良好的動態(tài)和靜態(tài)品質(zhì)，克服了運動控制方法的缺點。
[0005]雖然一些智能控制算法能達到高精度控制要求，但控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，算法計算時間長，有時需要調(diào)節(jié)多個參數(shù)才能到達控制的要求。因此希望能設(shè)計一個控制結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)節(jié)參數(shù)單一，同時滿足控制精度的控制器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是針對SCARA機器人在輸入信號時變且具有外界干擾的情況下能否滿足軌跡跟蹤精度且控制器結(jié)構(gòu)設(shè)計簡單，調(diào)節(jié)參數(shù)單一的問題，設(shè)計一種基于內(nèi)模原理的SCARA機器人控制器設(shè)計策略。
[0007]為達此目的，本發(fā)明技術(shù)方案如下:建立SCARA機器人的動力學(xué)模型，根據(jù)動力學(xué)方程估算各關(guān)節(jié)的慣性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩，最后得出各關(guān)節(jié)的力矩估算公式，將其作為內(nèi)模對對象的估計模型。然后，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，需要設(shè)計內(nèi)模濾波器f，最后通過調(diào)整參數(shù)λ，使系統(tǒng)達到機器人精度要求。整個流程包括:動力學(xué)估算模塊、建立內(nèi)模模型模塊、設(shè)計內(nèi)模控制器模塊、控制律計算模塊。
[0008]第一步，建立SCARA機器人各連桿坐標(biāo)系，確定各連桿的D-H參數(shù)(ai; Qi,
0i)。由拉格朗日函數(shù)方程:
【權(quán)利要求】
1.本發(fā)明提出了一種基于內(nèi)模的SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法:它不需要知道被控對象的具體數(shù)學(xué)模型，具有強魯棒性；相比傳統(tǒng)控制方法提高了跟蹤精度，跟蹤速度，并且控制結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)調(diào)節(jié)單一，本發(fā)明首先對SCARA機器人進行動力學(xué)模型建模，獲得SCARA機器人慣性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩的估計值；將其作為內(nèi)模對對象的估計模型，然后，為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，需要設(shè)計內(nèi)模濾波器f，最后通過調(diào)整參數(shù)λ，使系統(tǒng)達到機器人精度要求，本發(fā)明的設(shè)計主要包括以下幾個模塊: (1)、動力學(xué)估算模塊:通過建立SCARA機器人動力學(xué)方程，根據(jù)機器人坐標(biāo)變換估算各關(guān)節(jié)的慣性力矩、向心力和哥氏力矩、重力矩的估算值； (2)、建立內(nèi)模模型模塊:根據(jù)得到的SCARA機器人動力學(xué)數(shù)學(xué)模型建立內(nèi)模的估計模型M (S)，M(S)可分為兩項眞⑶和1 (S)，即M(S) = M+(S)M_(S)，其中，M+(S)為模型中包含純滯后和不穩(wěn)定零點的部分，M_(S)為模型中的最小相位部分； (3)、設(shè)計內(nèi)?？刂破髂K:為確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零，需在最小相位M_(S)的逆上添加濾波器f，則此時的內(nèi)?？刂破鳛?
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于內(nèi)模的SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:所述動力學(xué)建模模塊，估算各個關(guān)節(jié)的慣性力矩、向心力和哥氏力矩、重力
矩；由拉格朗日方程
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于內(nèi)模的SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:所述建立內(nèi)模模型模塊，通過計算的內(nèi)模模型為:
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于內(nèi)模的SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:設(shè)計內(nèi)模控制器模塊，取濾波器為
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于內(nèi)模的SCARA機器人軌跡跟蹤控制方法，其特征是:所述控制律計算模塊，根據(jù)計算可以解得SCARA機器人控制率為:
【文檔編號】G05D3/12GK103728988SQ201310732275
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月24日
【發(fā)明者】白瑞林, 趙登步, 許凡, 張濤, 曹沁婕 申請人:江南大學(xué)