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机器人关节面时变物理参数在线识别方法的研究

静大海  
【摘要】: 当机器人处于运动状态时,机器人关节面物理参数会出现时变与非线性特性,依靠在固定位姿下建立起的机器人动力学模型无法描述机器人在运动状态下的动态特性,为此机器人关节面时变物理参数在线辨识方法的研究被提到日程上来。本文在波传播法、时间序列法、模糊建模法的基础上提出了几种具有一定实用价值的关节面时变物理参数在线辨识方法,并具体研究了具有柔性关节机器人动力学模型的建模方法,以及机器人关节面处不可测自由度上动态载荷与响应的在线计算方法。 机器人的动力学模型是进行机器人关节面参数辨识的基础,本文首先讨论了具有非线性关节的机器人动力学特性,推导了刚性杆柔性关节机器人的动力学方程,以及柔性杆柔性关节机器人的动力学方程,并利用一仿真算例讨论了关节的非线性对机器人末端位移误差的影响,这一章的研究可以明确机器人关节特性对机器人动态特性的影响,为下面几章有关机器人关节面参数辨识方法的研究打下基础。 机器人关节面处连接节点的响应是进行关节面参数辨识主要的应用数据,但在实际测试中,机器人关节面处的响应与载荷很难直接测量到,一般需要通过一定的计算方法来计算。本文在第二章研究了两个方法来计算机器人关节处的动态响应与载荷,一种方法是研究了各部件单位脉冲响应特性,得出关节面节点与可测节点之间的计算模型,利用可测节点估计关节面节点的值。另一种方法是在子结构法的基础上,推导了机器人关节面动态响应与载荷的在线计算方法。本章通过一个梁结构仿真模型,验证了本文所开发算法的有效性。 本文主要研究提出了以下三种用于机器人关节面时变物理参数在线辨识方法: (1)根据波传播理论,提出了一种机器人关节面处时变物理参数在线辨识方法。该方法通过波分解理论提取振动波的特征,建立起各个波导单元的波模式,由连接部件处的广义力和位移与波模式幅值系数的关系,建立起连接部件的动刚度与波模式幅值系数的映射关系,进而求得机器人关节面处的物理参数。在辨识过程中,使用机器人在各个时刻的固有频率与振幅来计算波传播的波幅系数。本文还提出了一种可实时计算机器人模态参数的子空间分解方法来计算机器人的模态参数。仿真结果证明了所提在线辨识方法的有效性。 (2)利用机器人整体动力学模型,建立了机器人关节处时变非线性动力学模型,在线性ARMA时间序列模型的基础上,将机器人关节处的非线性动力学模型离散成为非线性时间序列模型,并讨论此非线性时间序列模型与微分方程之间的转换关系。最后得出了该非线性时间序列模型时变系数的计算方程,引入奇异值分解法计算该方程的特征矩阵,这样可提高该算法的计算速度,节省了在线辨识所需要的时间。本章利用一弹簧振子系统的仿真结果证明该方法的有效性。 (3)机器人在运动过程中,关节面处的动力学模型是复杂的、不确定的、非线性的,而模糊建模方法则可以为这类系统参数辨识提供一种解决的途径。本文利用模糊模型来表示机器人关节面处的动力学模型,并研究了模糊模型中模糊聚类的在线自适应调节方法以及在线插值模糊隶属度的计算方法,利用实时采集的机器人振动响应信号来实时计算机器人关节面在不同时刻的物理参数。本章对一个悬臂梁系统进行仿真,验证了该算法的有效性。 最后,对本文所提出的机器人关节面时变物理参数在线辨识方法进行实验验证。论文以一个三自由度机器人为研究对象,利用波传播法与模糊辨识法分别在线辨识机器人在运动过程中的关节面在各个时刻的物理参数。给出了机器人在不同位姿下关节面处物理参数的辨识结果以及变化趋势与变化特征。最后,对辨识结果进行了讨论分析。实验证明,本文所提出的方法在实际应用中计算结果稳定,可靠性高,具有一定的实用价值。


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