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半智能机器人控制与负载效应研究

唐振金  
【摘要】: 本文所研究的半智能排爆机器人,是在研究国内外同类机器人技术的基础上,借鉴以往本实验室机器人研究成果,进一步结合国内外机器人发展的新技术开发出的具有自主知识产权的先进机器人。 本机器人根据实际需要,设计出能满足实际抓取任务要求的三臂杆五自由度机械臂结构。本文针对此欠自由度机械臂,提出了一种简化的数学解析模型,并运用D-H方法推导出此简化模型的正、逆运动学算法。最后根据推算出的简化算法,在机器人底层控制模型中编写出机器人自动抓取控制模块,相比原来复杂的空间矩阵计算,此简化算法能有效的优化程序,加快计算机解算过程。从而为实现机器人自动准确的抓取目标物提供良好的保证。 根据转速、电流双闭环负反馈设计的控制器,虽然在工业上广泛应用,并取得不错的控制效果,但对于机器人这样有多关节组成的控制系统且对各方面性能提出更高要求的情况下,此控制器就显现其弊端。为保证机器人机械臂在有、无负载情况下或突加负载情况下,同样保持良好的平稳性和定位精度,减小负载扰动的影响,消除负载效应。本文采用对负载力矩进行观测,设计出降维负载观测器对负载扰动力矩进行“补偿”,从而与双闭环控制系统构成双通道系统控制。实验表明,采用负载观测器实现前馈补偿可以满意地消除负载扰动的影响,使双闭环控制系统无论在跟随或抗扰动性等方面性能均有较大的提升。 机器人底层控制系统采用MatlabRTW快速原型化方法开发,它有多层控制结构组成,宿主机使用Simulink设计出底层的运动控制系统框图,并通过xPC目标系统生成优化代码,下载目标应用程序运行于PC/104目标机,构成实时控制系统。伺服底层直流电机反馈控制依靠编码器反馈信号,经数据采集卡采集脉冲信号,从而实现直流电机的反馈控制,让机器人各关节协调运动到指定的位置。现场的主控制机主要完成图像信息获取,计算目标物的空间三维坐标,并向目标机运行控制层发送控制指令,实现机器人抓取动作的智能化控制。 最后,为检验所设计控制系统的可行性和鲁棒性,我们进行了机器人目标物定位抓取实验。实验结果表明,机器人能准确抓取目标物,顺利完成排爆任务。此外,为说明我们设计的负载观测器能有效的消除机器人负载效应,我们进行了机器人在有、无负载补偿情况下投放目标物的定位对比实验,在有观测器补偿的控制系统中,机器人可以较精确的定位目标点,有效的消除负载对机器人性能的影响。


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