论文部分内容阅读
柔性关节机器人采用轻型柔性关节，具有重量小、功耗低、负载/自重比高、安全性高等优点，比传统刚性工业机器人更适合与人和环境进行交互，因而在太空探索、医疗、家庭自动化、合作装配等场合发挥着越来越大的作用。柔性关节机器人的动力学特性复杂，制约了控制器设计性能，对其高精度建模和控制的研究具有重要的研究意义和应用价值。 本文针对柔性关节机器人的建模和控制策略展开研究。主要研究内容包括柔性关节机器人的高精度建模、位置控制和柔顺控制。 首先，开展对柔性关节机器人动力学建模和参数辨识的研究。针对关节摩擦建立能够充分描述其连续、动态、非线性特性的LuGre模型，设计非线性最小二乘拟合和改进的粒子群算法辨识其静态参数和动态参数;然后采用有限元方法对谐波传动进行分析，获取谐波传动在负载力矩作用下的弹性变形特性和啮合变形特性，建立关节柔性模型;最后结合所建的摩擦模型和柔性模型，采用拉格朗日法对多连杆柔性关节机器人进行动力学建模，得到完整的柔性关节机器人动力学模型。 其次，在所建立的更完整准确的动力学模型基础上，对柔性关节机器人高精度位置控制进行研究。针对模型参数不确定的单连杆柔性关节机器人，提出一种基于LuGre摩擦补偿的自适应反步法控制器，设计双观测器对LuGre摩擦在线观测和补偿，设计模型参数自适应律以改善反步法对参数误差的敏感性;针对存在连杆和关节耦合项的多连杆柔性关节机器人，提出一种高精度自适应反步法控制器，对摩擦、回差和耦合项设计观测器进行在线估计补偿。理论分析证明了观测器的收敛性和系统的稳定性。 然后，为实现良好的机器人和环境接触，以及保证人机合作的安全性，对柔性关节机器人进行柔顺控制研究。设计基于位置控制的阻抗控制策略，并采用自适应反步法位置控制器作为其内环控制;采用连杆端-关节端级联设计方法，分别设计了关节空间下和笛卡尔空间下基于关节力矩反馈的阻抗控制策略，并设计带摩擦补偿的关节力矩控制器作为内环，以跟踪期望关节力矩，理论分析证明了系统的稳定性;在笛卡尔空间下基于关节力矩反馈的柔性关节机器人阻抗控制基础上，设计环境自适应策略，根据模型参数自适应调整控制系统参数，实现在非接触状态下良好的位控性能和接触状态下良好的力控性能，以及接触/非接触状态更稳定的切换。 最后，对柔性关节机器人验证平台与实验展开研究。设计了基于谐波测力的关节力矩测量方法，并对其进行优化;搭建了三连杆柔性关节机器人平台;基于所搭建的柔性关节机器人平台开展实验研究，实验结果验证了本文相关研究方法的有效性。