關于工業機器人的高速高精度控制方法的探討

摘 要：工業機器人的高速高精度控制是反映機器人性能的重要因素，現代工業產品生產越來越智能化、精密化，對生產質量提出了更高的要求，追求高速高精度控制是機器人設計以及實踐過程中的必然要求。工業機器人的高速高精度控制方法策略較多，但最終的目的在于在確保機器平穩運行的同時，克服干擾因素，提高運行速度、精度，文章簡要介紹了基于魯棒有限時間控制神經網絡模型，同時基于三軸并聯機器人控制系統結構，簡單的構建可拓自適應控制模型。

關鍵詞：工業機器人；高速高精度控制；軌跡控制

工業機器人是工業生產的重要設備，也是智能工業發展的核心設備。為了滿足現代化產品加工需要，工業機器人的作業速度越來越追求高速化，但再高速度作業的同時，賦予了機器設備更高的動能，直接影響作業的精度，精度是影響產品設配質量的重要因素，產品的質量是企業的核心競爭力元素之一[1]。追求高速高精度是工業機器人發展的必由之路。本次研究試簡要的概述幾種工業機器人高速高精度控制策略，并試探討基于三軸并聯機器人開展可拓自適應控制及技術。

1 工業機器人高速高精度控制概述

1.1 概述

工業機器人是工業生產重要設備，我國工業機器人數量已超過20000臺，居世界第一位。但遺憾的是，我國機器人大多數從歐美日等國進口，國內工業機器人產品質量相對較低，特別是在高速高精度方面有較大的差距。以ABB公司產的IRB120型六自由度機器人為例，TCP最大速度達到6.2m/s，最大加速度28m/s2，重復定位精度±0.01mm。工業機器人已進入了智能化、高速化、高精度、模塊化發展趨勢。機器人控制技術是工業機器人的核心技術，是相關領域研究熱點，研究的主要目的有二：（1）保證機器人平穩可靠的運動，涉及避免高速運動產生的機械振動、奇異點處理、軌跡規劃技術等；（2）提高機器人的運行速度、控制精度，涉及本體結構優化、運動伺服控制技術等。工作空間的奇異點回避、動力學參數辨識等也是本次研究論述的重點。

1.2 主要策略

機器人系統是一個非線性、耦合的多輸入多輸出系統，存在許多不確定因素，如測量誤差、干擾力矩、負載變化、隨機擾動等，這些不確定因素直接影響機器人性能的提高。有限時間控制方法指再有限時間能使機器人達到穩定點的一種控制策略，能夠具有較好的收斂性，提高控制精度。魯棒性有限時間控制是當前研究熱點，其主要目的在于將有限時間內收斂于零，目前比較熱門的控制方法為齊次控制系統、函數構造法、終端滑膜控制方法，近年來人工神經網絡發展迅速，也開始應用于有限時間控制。神經網絡模型借鑒生物局部調節、交疊接受區域作用，構建函數模型映射的人工神經網絡，理論上其同多層感知網絡一樣，能以任意精度逼近任意的連續非線性函數，具有較大的發展潛力[2]。神經網絡的基本模型：輸入層，分為n層，隱含層分為i層，輸出層分為m層，每個輸入層都可接入到所有隱含層，每個隱含層接入到所有的輸出層，輸出層SHI一個線性組合，每個節點都是由高斯函數組成的，輸出層組合yi= wjihi=w H（j=1，2，...，m），其中Wj=[Wj1，Wj2，…，WjI]T，H=[h1，h2，…，hI]T?？紤]機器人的動力模型為M其中q， ， ∈Rn 分別為關節位置、速度和加速度向量。M（d）∈Rn×n為對稱正定的慣性矩陣，C（q， ）∈Rn×n為哥氏力和向心力矩陣，G（q）∈Rn為重力向量項，？子∈Rn為各關節驅動力矩，？子∈Rn為各種外界干擾等效干擾力矩。有限的時間控制方法最終的目的在于使機器人各關節變量q能夠達到期望值qd，使誤差會e能夠在有限的時間內快速收斂到0，同時能夠確保機器人對不確定有足夠的魯棒性。在確立魯棒性有限時間控制策略，并建立神經網絡模型后，還需要解決機魯棒延時、運動不確定性等問題[3]。

2 基于三軸并聯機可拓自適應控制技術

三軸并聯機器人由上平臺、下平臺以及三條完全相同的運動支鏈構成，下平臺為動平臺，為執行端，下平臺為靜平臺，固定在機架上，主動臂位于上平臺上，在電機驅動下可在一定范圍內擺動，從動桿通過控制伺服電機位置與速度，實現平臺在三個平面內運動。三軸并聯機器人也是當前我國保有量最大的工業機器人之一，設備簡單、維護成本低、易于控制。自適應控制機器能夠處理不變與慢時變問題，可拓控制器善于處理時變、突變問題，兩者結合是解決并聯機器人控問題的可行方法，理論上可獲得較好的控制效果，避免高速運動狀態下的擾動。

并聯機器人的控制系統結構相對簡單，但也比串聯結構更加復雜，人機界面、控制算法通過PC實現交互，設計運動控制卡，運動控制卡控制伺服驅動器、伺服電機，最終控制并聯機器人操作界面，伺服驅動執行結構、操作界面傳感器獲得信息回傳給運動控制卡，后者根據控制策略進行調整，最終實現精確控制?？赏刈赃m應性控制器是控制設計的核心。我假設取偏差e和偏差微分 作為特征量，設未控制對象偏差容許范圍為（-eom， om）確定偏差微分范圍。系統可調節最大的偏差、偏差微分為em、em，特征狀態（e， ）可拓集合記作經典域為Roy，可拓展域為Ry，設（e， ）特征平面的圓點位S0（0，0），記作M0= ，M-1= ，則定義e- 上任意一點S（e， ）滿足關聯函數：K（S）={1-|SS0|/|M0|，S∈Roy，（Mo|SSo|）/（M-1-Mo），S？埸Roy}其中|SS0|= ，對于測度模式M2，特征狀態處于-1≤K（S）≤0的范圍內，可拓控制研究的主要內容，控制器輸出為（ut）=y（t）/k+KciK（S）（-sgn（e））+？著，其中y（t）為當前時刻被控制量的采樣值，u（t）為控制器輸出，k為過程中的靜態增益，Kci為控制系數，S為特征狀態，K（S）為特征狀態的關聯函數，sgn（e）為加權偏差。

3 結束語

工業機器人越來越精密化、現代化，在進行控制設計時需要考慮的因素也越來越復雜，但無論采用何種控制系統，設計的最終目的在于構建一種能夠確保儀器正常運行情況下，全面考慮關鍵干擾因素，最大程度使操作誤差收斂達到接近理想目標“O”。在模型構過程中，需要采用大量的數學模型，設計者需要充分的了解機器設備的控制系統結構，合理的構建模型，了解關鍵的干擾因素，必要時吸收借鑒他人的成果，構建模型后進行仿真訓練。作為機器人的操作者，也應了解控制模型，掌握在人機界面上輸入調整參數策略，及時通過數據反饋發現故障。

參考文獻

[1]丁學恭.機器人控制研究[M].杭州：浙江大學出版社，2006.

[2]劉宇，李瑰賢，夏丹，等.基于改進遺傳算法辨識空間機器人動力學參數[J].哈爾濱工業大學學報，2010，11：1734-1739.

[3]吳勃，許文芳，陳虹麗.神經滑?？刂圃跈C器人軌跡跟蹤中的應用[J].電機與控制學報，2009，13（S1）：99-104.

作者簡介：黃爽（1976-），女，漢族，浙江臺州人，講師，碩士，主要研究方向：機電設計及控制。

楊慶華（1964-），男，漢族，義烏人，教授，博士，主要研究方向： 機器人技術；金屬精密塑性成形。