基于快速控制原型的6-DOF机械臂轨迹跟踪无模型自适应控制

摘要

机械臂以其稳定、灵活、高精度等优点广泛用于机械、电子、建筑等制造业之中。随着对六自由度(6-DOF)串联工业机械臂轨迹跟踪性能与规划功能要求的提高，传统的机械臂控制系统设计开发费时费力且无法在线调试，很难满足要求。快速控制原型技术(RCP)基于其高计算能力的硬件平台和代码自动生成技术，能够高效地创建控制器快速原型并对实物进行实时验证和参数在线调整，提高控制系统的开发效率。作为一种数据驱动控制方法，无模型自适应控制(MFAC)仅利用系统输入输出数据而不依赖被控对象模型，适用于6-DOF串联工业机械臂此类复杂的被控对象。因此基于RCP技术，将MFAC应用于6-DOF串联工业机械臂的轨迹跟踪控制有一定的实际意义。
　　本文基于Links-RT半实物仿真平台展开对MFAC及其在6-DOF串联工业机械臂快速控制原型系统中的应用研究。主要内容如下:
　　(1)建立机械臂笛卡尔空间中的连杆坐标系并确定其参数，依据机械臂运动学原理，分析逆运动学算法的稳定性与实时性。基于拉格朗日公式法，分析机械臂动力学特性。
　　(2)针对机械臂轨迹跟踪控制问题，在偏格式动态线性化的无模型自适应控制(PFDL-MFAC)算法的基础上提出了一种改进的PFDL-MFAC算法，通过仿真，验证所提相关控制算法的有效性。
　　(3)针对川崎RS10N型6-DOF串联工业机械臂，基于Links-RT半实物仿真平台给出机械臂快速控制原型系统的实现方案，使用MATLAB/Simulink实现PFDL-MFAC控制算法及其改进形式在机械臂轨迹跟踪控制中的应用，并开发了机械臂归零复位、运动学模块、轨迹规划离线仿真等功能。实验验证了机械臂快速控制原型系统的可行性以及所提出的控制算法在机械臂轨迹跟踪控制中的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究的背景及意义

1．2 串联工业机械臂的研究现状

1．2．1 串联工业机械臂的国内外发展及研究现状

1．2．2 机械臂轨迹跟踪控制方法的研究现状

1．3 快速控制原型概述

1．3．1 快速控制原型开发原理

1．3．2 快速控制原型国内外发展现状

1．4 研究内容与文章结构

1．4．1 研究内容

1．4．2 结构安排

2 六自由度串联工业机械臂的建模分析

2．1．1 六自由度机械臂的笛卡尔空间位姿描述

2．1．2 六自由度机械臂连杆参数与坐标变换

2．2 六自由度机械臂运动学原理

2．2．1 六自由度机械臂正向运动学

2．2．2 六自由度机械臂逆向运动学

2．3 六自由度机械臂动力学建模

2．3．1 机械臂动力学分析

2．3．2 基于拉格朗日公式法的六自由度机械臂动力学建模

2．4 本章小结

3 PFDL-MFAC及其在机械臂轨迹跟踪控制中的仿真研究

3．1．1 偏格式动态线性化

3．1．2 基于偏格式动态线性化的无模型自适应控制算法设计与分析

3．2 仿真研究及结果

3．2．1 六自由度机械臂关节空间轨迹跟踪控制

3．2．2 六自由度机械臂工作空间轨迹跟踪控制

3．3 本章小结

4 六自由度串联工业机械臂快速控制原型系统的设计与实现

4．1 六自由度串联工业机械臂系统的构成及环境配置

4．1．1 六自由度机械臂系统构成

4．2．2 实验环境配置方案

4．2 面向六自由度机械臂的一种快速控制原型实现方案

4．2．1 Links-RT半实物仿真平台

4．2．2 基于Links-RT的机械臂快速控制原型系统搭建

4．3 本章小结

5 PFDL-MFAC在六自由度机械臂轨迹跟踪控制中的实物验证

5．1．1 改进的PFDL-MFAC控制算法

5．1．2 机械臂在笛卡尔空间的归零复位

5．1．3 六自由度机械臂运动学模块

5．1．4 离线轨迹规划

5．2 实验结果及对比分析

5．2．1 机械臂关节空间上的轨迹跟踪控制实验

5．2．2 机械臂工作空间上的轨迹跟踪控制实验

5．3 本章小结

6 总结与展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

学位论文数据集