基于多轴耦合同步控制的机器人高精度轨迹跟踪方法研究

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1、硕士学位论文基于多轴耦合同步控制的机器人高精度轨迹跟踪方法研究RESEARCHONROBOTICHIGHPRECISIONTRACKINGBASEDONMULTIAXIALCOUPLINGSYNCHRONIZEDCONTROL储婷婷哈尔滨工业大学2015年7月-国内图书分类号：TP242.2学校代码：10213国际图书分类号：681.5密级：公开工学硕士学位论文基于多轴耦合同步控制的机器人高精度轨迹跟踪方法研究硕士研究生：储婷婷导师：曲东升副教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2015年7月

2、授予学位单位：哈尔滨工业大学-ClassifiedIndex:TP242U.D.C:681.5DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONROBOTICHIGHPRECISIONTRACKINGBASEDONMULTIAXIALCOUPLINGSYNCHRONIZEDCONTROLCandidate：ChuTingtingSupervisor：AssociateProf.QuDongshengAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngi

3、neeringSpeciality：MechatronicsEngineeringAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：July,2015Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要工业机器人作为自动化的集大成者是全球制造业未来的发展方向。我国工业机器人在核心伺服控制算法、关键零部件方面远落后于国外同类产品。设计计算简单、适用范围广、易于应用的工业

4、机器人核心伺服控制算法，对于国产机器人轨迹精度等性能的提升、打破国外机器人的技术垄断具有重要的意义。本文针对工业机器人非线性、强耦合、高实时性、频繁外部干扰等控制难点，以工业机器人在弧焊、切割、装配等方面的应用为背景，以IRB120机器人本体为应用对象，以基于EtherCAT总线的控制器硬件系统为基础，开展基于多轴耦合同步控制的机器人高精度轨迹跟踪方法研究。首先，建立了IRB120机器人运动学模型，推导出机器人的雅克比矩阵以及Hessian矩阵，并通过仿真验证了模型的准确性；建立了机器人的动力学模型，并利用ADAMS设计了机器

5、人的虚拟样机模型，仿真验证了动力学模型的准确性。其次，对机器人末端的任意轨迹（含直线、圆弧与样条曲线）进行了轨迹规划。针对直线、圆弧轨迹，提出了基于轮廓误差的交叉耦合控制算法；针对复杂的样条曲线轨迹，提出了基于最小相关轴的非线性PD偏差耦合控制算法。仿真结果表明，这两种算法计算量小、简单适用，可以实现机器人对任意轨迹的高精度跟踪。再次，针对机器人运动速度提升引入的强非线性以及切割等应用背景下引入的外部干扰，提出了基于简化动力学模型与LuGre摩擦模型补偿的计算力矩偏差耦合控制算法。仿真结果表明，该控制器能够使计算量降低的同时实

6、现跟踪误差的快速收敛，具有更好的鲁棒性。最后，搭建了基于EtherCAT总线的开放式控制系统与IRB120机器人本体的实验平台，开展了基于多轴耦合同步控制的机器人高精度轨迹跟踪方法实验研究。实验结果表明，相比传统的多轴机器人控制方法，本文提出的算法能够在简化计算的同时显著降低机器人的轮廓误差，提高轨迹精度；与进口机器人控制器进行控制效果对比，本文提出的算法接近进口机器人自身的控制器的控制效果，进一步证明了算法的有效性。关键词：工业机器人；多轴偏差耦合；摩擦补偿；高精度；轨迹跟踪-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文Abstrac

7、tAsthemasterofautomation,industrialrobotisthedevelopmenttendencyoftheglobalmanufacturinginthefuture.Thedomesticrobot’skeycomponentssuchasservocontrolalgorithmarefarbehindthesameproductsabroad.Designingacomputationallysimple,wideapplicableandeasy-to-usecoreservocontr

8、olalgorithmforindustrialrobotstoimprovetheprecisionofrobottrajectoryisofgreatsignificance.Itisalsomeaningfulforbreakingforeignrobottechnol