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多轴机器人运动控制系统的研究与开发

李疆  
【摘要】:工业机器人广泛应用于工业自动化领域,而我国的工业机器人技术相对落后,机器人装备大多依赖进口。控制系统是机器人的核心部件,其功能强弱、性能优劣直接影响机器人的最终性能。本文针对常用的工业机器人控制需求,自主研发了一套多轴运动控制系统,并对机器人控制的若干关键技术展开研究。全文的主要内容如下: 1)基于机器人技术的研究现状,结合运动控制技术发展,对机器人运动控制系统进行规划设计,提出了PC+专用运动控制器的架构,以PC为上位机,完成人机交互和运动轨迹规划,并通过PCI与底层专用运动控制器交互。 2)通过对机器人运动控制系统的需求分析,重点规划设计了基于DSP和FPGA的专用运动控制器,其中DSP完成机器人运动控制任务的调度,实现对机器人关节空间的实时控制,FPGA则用于控制系统所需各功能接口的设计。 3)开展了直角坐标空间的机器人轨迹规划和速度控制技术的研究,设计了直线和圆弧基本轨迹插补算法,并引入S型升降速算法,以改善机器人末端运动的平稳性;分析研究了机器人的点位运动和连续轨迹控制,设计出关节空间中的线性插值、PVT插值和B样条插值算法,实现了机器人关节空间运动的快速平稳控制。 4)为提高位置控制系统的跟踪性能,以获得良好的轨迹控制精度,研究了位置伺服控制算法。在PID+前馈控制的基础上,针对机器人关节空间模型的非线性和参数不确定,引入鲁棒性较强的模糊控制。通过理论分析和实验对比,最终选用模糊PID+速度前馈的控制策略,完成了单关节的位置控制,取得了良好的动态跟踪性能和稳态精度。


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