面向装配作业的机器人柔顺控制方法研究

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面向自动化装配作业的工业机器人长时间运行于受限的工作环境中,与被操作零部件接触频次较高,其末端执行器的顺应性是影响装配作业任务完成的关键因素。随着机电产品结构复杂度的不断提升,准确的轨迹跟踪控制也是机器人在参数时变和不确定性环境中完成各种工件精密组装的前提。  当前面向工业机器人顺应性的阻抗控制方法主要考察机器人末端执行器与装配环境接触之后的接触力反馈,并未对阻抗大小进行特定的设计,难以满足期望的阻抗需求。现有的装配机器人的轨迹跟踪控制研究,对于机器人在装配过程中的各种干扰和参数不确定性因素考虑较少,机器人在装配过程中的可变负荷和机器人之间的相互碰撞干扰的控制策略有待完善,关于机器人连杆参数的可变性和各个关节轴之间的动态耦合干扰机理尚不明确。  针对上述问题,本文旨在研究面向装配作业的机器人顺应性阻抗控制和装配轨迹跟踪控制方法,所涉及的主要研究内容如下:  (1)采用Denavit-Hartenberg方法建立装配机器人操作臂的正向和逆向运动学方程。采用拉格朗日法建立了装配机器人的动力学模型,分析了六自由度装配机器人动态特性,即装配机器人运动过程中的驱动输入力与机器人各关节速度和加速度的关系。  (2)提出一种动态柔顺性控制策略。不同于现有的单纯机器人空间轨迹跟踪控制或者工件装配时的接触力阻抗控制,该控制策略采用滑模控制算法设计相应的参考轨迹跟踪控制律,采用阻抗滤波器获得满足期望接触力约束的目标装配轨迹。同时,采用外部动力学参数动态辨识的方法,在线实时地获得上述控制律中所需要的各常数矩阵和常数值。基于六自由度装配机器人的对比性仿真实验表明:该策略不仅能实现高精度的轨迹跟踪,而且能自适应动态地切换到工件装配时的接触力控制,并能保持良好装配接触力柔顺适应性。  (3)考虑到六自由度装配机器人在装配作业中的外在干扰和参数不确定性的影响,设计相应的鲁棒滑模轨迹跟踪控制器和干扰自适应的鲁棒控制器,自适应地处理装配过程中的参数摄动和干扰等问题,增强机器人在装配作业中对于外在干扰和参数时变的鲁棒性和自适应性能,使得机器人在参数时变和干扰时,仍能够正常完成预定的装配作业,即获得足够的鲁棒性和自适应性能,采用仿真对比验证所提出的控制方案的可行性和高效性。  (4)搭建由自动传送带、定位装置、红外开关、新松并联机器人、六自由度三菱串联机器人、三菱SCAR A机器人以及AGV搬运小车组成的智能装配机器人实验平台。选取典型的水平轴六自由度配置的三菱装配机器人作为研究对象,针对装配作业的实际需求,采用基于公理设计的通用设计方法设计了一种对空气开关断路器内部弹簧机构进行抓取及装配的末端执行器。
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