【摘 要】
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进入21世纪以来,多关节串联机械臂在工业生产中的扮演了不可或缺的角色,比如在喷漆、焊接、切割、装配和码垛等领域,正是由于其拥有运动速度快、控制精度高、操控性好等优势。与此同时,机械臂自身结构决定其具有非线性程度高、耦合性强、建模不精确等问题,实现高精度的轨迹跟踪效果具有一定的技术难度,所以国内外广大学者面对上述技术难题进行了广泛的分析研究。本文以多关节机械臂为研究对象,主要围绕轨迹规划和轨迹跟踪进
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进入21世纪以来,多关节串联机械臂在工业生产中的扮演了不可或缺的角色,比如在喷漆、焊接、切割、装配和码垛等领域,正是由于其拥有运动速度快、控制精度高、操控性好等优势。与此同时,机械臂自身结构决定其具有非线性程度高、耦合性强、建模不精确等问题,实现高精度的轨迹跟踪效果具有一定的技术难度,所以国内外广大学者面对上述技术难题进行了广泛的分析研究。本文以多关节机械臂为研究对象,主要围绕轨迹规划和轨迹跟踪进行研究,运动学和动力学又是二者的基础,首先对运动学和动力学进行分析,然后讨论轨迹规划和轨迹跟踪的策略,最后进行系统的理论分析、仿真数值对比分析等研究,具体研究内容如下:（1）对多关节机械臂的运动学及动力学进行分析。首先利用Denavit-Hartenberg Matrix（D-H矩阵）建模方法建立多关节机械臂正运动学模型,并利用解析法对机械臂进行逆运动学分析,通过数值算例验证正逆运动学分析的正确性,然后采用拉格朗日动力学建模方法,建立简化的多关节机械臂动力学模型。（2）在运动学的基础上,对比关节空间的三次多项式和五次多项式和3-5-3多项式轨迹规划方法。针对传统粒子群算法存在容易陷入局部最优值的问题,引入动态非线性惯性权重、收缩学习因子和自适应变异,对3-5-3多项式进行时间优化,并仿真验证了其可行性和有效性。（3）在前述章节所介绍的动力学模型所存在内部不确定性和外部干扰的条件下,考虑传统终端滑模控制所存在收敛时间慢和奇异问题,采取了快速非奇异终端滑模控制。然后针对传统指数趋近律存在滑模抖振问题,在幂次趋近律的基础上进行了改进,利用Lyapunov函数进行了系统稳定判断。最后通过仿真证明快速非奇异终端滑模能够提高系统的快速响应性,改进幂次趋近律能够削弱抖振问题,但是同时带来了统稳态精度降低的问题。（4）针对上一章节所带来的新问题,利用干扰观测器和自适应控制对干扰进行前馈补偿,该方法使用非线性干扰观测器对外界可观测干扰进行观测补偿,对于未观测到的干扰通过自适应律的设计进行估计补偿,并通过李雅普诺夫函数确定自适应律,采用快速非奇异终端滑模控制器作为主控制器,增强系统的鲁棒性;最后,利用李雅普诺夫函数验证了系统的稳定性。仿真结果表明该控制算法具有较好的抗干扰能力和控制精度,并能够实现对规划的期望轨迹进行快速稳定精确跟踪。图[48]表[11]参[83]
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