蛇形臂机器人高精度位置伺服系统建模与仿真

《蛇形臂机器人高精度位置伺服系统建模与仿真》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、先进装配装备AD、—ANCEDASSEMBLYEQUIPMENT蛇形臂机器人高精度位置伺服系统建模与仿真木SimulationandModelingofHigh——PrecisionPositionServoSystemofSnake·-ArmRobot中航工业北京航空制造工程研究所魏志强袁伟【摘要】针对蛇形臂机器人由多个具有相同控制及传动结构的关节组成的特点，建立了单关节的单轴控制系统的数学模型，基于不变性原理设计了复合控制系统。采用MATLAB／Simulink进行仿真，研究了间隙及摩擦对系统性能的影响，并

2、提出了相应改进措施。仿真结果表明，系统具有高精度位置伺服性能及良好的抗干扰能力，为蛇形臂机器人柔性连续运行奠定了技术基础。关键词：蛇形臂机器人位置伺服复合控制IABSTRACTlSnake-armrobotconsistsofanumberofthesamelinksofcontrolandfeedslructure．Sothemodelofsin-2如motorcontrolsystemises切bIislledandthecomplexcona-olsystemisdesignedbasedoninvari

3、anceprinciple．TheinfluenceonsystembygapandfrictionisstudiedbasedonMATLAB／Simulinkandtheimpmvedmethodsareproposed．Simulationresultsshowthatthesystemhashigh-precisionpositionservoperfommceandgoodcapacityofresistingdisturbance，whichpmvidsthetechnicalfoundationf

4、ortheactualcontmlofrobot．Keywords：Snake-armrobotPositionservoCorn-plexcontrol蛇形臂机器人具有高柔性、活动空间比较大、动作灵活的特点，因而具有很强的实用性，可在复杂工作环境下进行危险品探测、激光切割、装配等，如英国OC机器人公司研制了多种工业用蛇形臂机器人，并成功将其商品化，但国内该类机器人仍处于实验室研发阶段。蛇形臂一般由多个相同控制及传动结构的关节组成，而每个单关节一般为3或4个基于电机驱动的伺服系统，以实现弯、转2个自由度的运动。

5、每个电机控制系统的高精度位置伺服性能是保证多关节组合后减少累积误差、具有良好运动性能的前提；同时，必须避免结构谐振，使系统具有一定的伺服带宽及抗干扰能力。因此，本文以机器人单轴伺服系统为研究对象，对系统进行建模与仿真，为实际系统有效控制提供借鉴与参考。1机器人结构简介本文的蛇形臂机器人为欠驱动多自由度连续型机}北京市科技计划资助项目(Z121100001612011)。130航空制造技术·2014年第21期器人，由5个大关节构成，每个大关节由4个小关节组成，并由圆盘、球铰等结构组成。伺服电机经一级齿轮减速后驱动

6、丝杠并带动滑块前后运动，从而通过驱动圆盘上等角度分布的3根绳子的伸缩实现关节的弯、转运动。2直流电机控制系统动态模型设传动环节如图1所示。电机电压平衡方程和转矩平衡方程分别为(1)和(2)式⋯：巩=fm‰+厶鲁+匠百dom，(1)乙=厶警饯鲁+TL，(2)式中：Um为电机电枢电压(V)；i。为电机电流(A)；R。为电机等效电阻(n)；￡。为电机电感(H)；Ke为电机反电势系数(V／rad／s)；Om为电机轴角位移(rad)；乙为电机电磁转矩(N·m)，乙=K，i。；厶为电机轴等效转动惯量(kg·m2)；疋为负载

7、等效力矩(N·m)；B。为电机轴等效阻尼系数(N·m·s／rad)。空载条件下，相应的电机模型如图2所示。图中，Ad为电网波动引起的干扰；巧为功放放大系数；K为电机转矩系数(N。m／A)。对于进给环节，设作用于齿轮2上的转矩为，得电机轴和丝杠轴的动力学方程为[2-41．．k(Om一孚)=J。軎(孚)+孚，(3)乃啪州去)2]鲁(孕)+蹦去)2苦(孕)+F去，(4)式中：z。为滑块位移(m)；i为为减速比即齿数之比(z2／z。)；以、以为分别为齿轮1、齿轮2及丝杠轴的等效转动惯量(kg·m2)；m、Bo为分别为滑

8、块的质量(kg)及等效图1传动系统模型Fig．1Transmissionsystemmodel图2直流电机动态模型Fig．2DynamicmodelofDCmotor粘性阻尼系数(N·m·s／rad)；k为电机转轴到丝杠的总变形系数(N·m／rad)；L为丝杠导程(mill)，F为滑块所受阻力及摩擦力(N·n1)。设系统初始条件为零，将(3)和(4)式进行拉氏变换可得传动系统二阶传递函