基于模糊自適應(yīng)與PID控制的六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制策略研究

張建榮　羅國虎　郭金妹

【摘 要】根據(jù)六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)特征，將模糊自適應(yīng)控制與PID算法結(jié)合，也就是建立模糊邏輯系統(tǒng)，結(jié)合自適應(yīng)算法的調(diào)整位置參數(shù)的能力，實(shí)現(xiàn)PID控制的自適應(yīng)調(diào)整，從而使六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制平穩(wěn)高效。然后利用Matlab軟件對(duì)模糊自適應(yīng)PID算法進(jìn)行仿真，證明該算法的有效性。

【關(guān)鍵詞】模糊自適應(yīng)；PID；六自由度；運(yùn)動(dòng)控制

中圖分類號(hào)：TP24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）30-0005-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.002

Six-degree-of-freedom industrial robot based on fuzzy adaptive and PID control Research on motion control strategy

ZHANG Jian-rong LUO Guo-hu GUO Jin-mei

（Jiangxi Institute of Applied Technology， Ganzhou Jiangxi 341000， China）

【Abstract】According to the kinematics of the six-degree-of-freedom industrial robot， the fuzzy adaptive control is introduced into the PID algorithm. The fuzzy logic system is combined with the ability of the adaptive algorithm to adjust the position parameters to realize the adaptive adjustment of the PID control， so as to achieve the smooth and efficient operation control effect. The fuzzy adaptive PID algorithm is simulated by Matlab software， and the effectiveness of the algorithm is proved.

【Key words】Fuzzy adaptive； PID； Six degrees of freedom； Motion control

隨著“工業(yè)4.0”和“中國制造2025”的加速推進(jìn)，工業(yè)機(jī)器人的需求增長非常快，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。其運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是工業(yè)機(jī)器人十分重要的組成部分，根據(jù)操作任務(wù)的要求，驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂中的各臺(tái)電動(dòng)機(jī)完成特定任務(wù)。六自由度機(jī)器人是一種目前應(yīng)用最廣泛的工業(yè)機(jī)器人，其運(yùn)動(dòng)控制的快速、正確性決定了其工作效率和性能。

1 擬解決的關(guān)鍵問題

模糊控制、專家控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、PID控制、自適應(yīng)控制等是工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的主要方法，為了達(dá)到更好的動(dòng)態(tài)性能，最終實(shí)現(xiàn)控制要求，一些新的控制方法就出現(xiàn)了。在控制算法方面既要保證一定的魯棒性，又要滿足參數(shù)實(shí)時(shí)變化的要求。

目前，單一控制算法已經(jīng)無法滿足對(duì)復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制，往往采用模糊控制等算法與PID控制或自適應(yīng)控制相結(jié)合方法，這樣工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的效果能實(shí)現(xiàn)多種控制方法融合的優(yōu)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的魯棒性。

因此，在工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程控制算法研究中，采用魯棒控制方法保證機(jī)器人的抗干擾能力，結(jié)合自適應(yīng)等算法對(duì)實(shí)時(shí)變化的參數(shù)進(jìn)行識(shí)別與調(diào)整，在盡量降低控制算法復(fù)雜程度又保證控制算法有效性是目前主要的研究方向。

2 采取的研究方法及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 對(duì)六自由度工業(yè)機(jī)器人采用經(jīng)典的D-H參數(shù)法建模

將機(jī)器人抽象成一系列的連桿和關(guān)節(jié)，我們對(duì)各個(gè)桿件建立一個(gè)參考坐標(biāo)系，從基座開始到第一關(guān)節(jié)，再到第二關(guān)節(jié)，通過矩陣變換都能得到每?jī)蓚€(gè)相鄰關(guān)節(jié)的變換矩陣，最后將得到的所有變換矩陣進(jìn)行結(jié)合即可得到總的變換矩陣。這個(gè)總的變換矩陣就是用D-H參數(shù)法表示的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型。

以KUKA六自由度工業(yè)機(jī)器人為對(duì)象建立D-H參數(shù)法運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，其三維模型如圖2所示，各關(guān)節(jié)的坐標(biāo)系如圖3所示。

根據(jù)該機(jī)器人的幾何參數(shù)，得到基于設(shè)定坐標(biāo)系的D-H參數(shù)，將參數(shù)帶入D-H參數(shù)模型中進(jìn)行矩陣變換，得出該機(jī)器人的D-H參數(shù)的正運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可以利用比如Lee和Ziegler的幾何法或Paul的代數(shù)法等機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解方法，求出機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。

2.2 采用模糊邏輯系統(tǒng)，結(jié)合自適應(yīng)算法的調(diào)整位置參數(shù)的能力，實(shí)現(xiàn)PID控制的自適應(yīng)調(diào)整，從而達(dá)到平穩(wěn)高效運(yùn)行的控制效果

由于六自由度工業(yè)機(jī)器人是一個(gè)多輸入多輸出的非線性耦合系統(tǒng)，在控制算法方面既要保證一定的魯棒性又要滿足參數(shù)實(shí)時(shí)變化的要求。

為了提高 KUKA 六自由度工業(yè)機(jī)器人的精度和可靠性，構(gòu)建了如 3 圖所示的模糊自適應(yīng)PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。機(jī)器人接收到指令，然后從程序中采集速度、加速度、位移、力矩等相關(guān)參數(shù)輸入至運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中，機(jī)器人根據(jù)按照設(shè)定的參數(shù)和路線進(jìn)行操作。同時(shí)檢測(cè)器檢測(cè)相應(yīng)的參數(shù)，并實(shí)時(shí)與運(yùn)動(dòng)中實(shí)際值相比較，得到誤差e和誤差變化率ec作為模糊控制器的輸入變量語言，PID 的三個(gè)參數(shù)Kp、Ki、Ki為輸出。控制器包括模糊控制器和常規(guī)的PID 控制器，根據(jù)輸入輸出變量之間的模糊關(guān)系在線對(duì) PID 參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)整定，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的最佳控制。

2.3 模糊自適應(yīng)PID算法的仿真

模糊自適應(yīng) PID 算法的仿真可以利用Matlab等仿真軟件進(jìn)行，即利用 Matlab 中的simulink工具箱建立如圖 4 所示的仿真模型。在仿真過程中對(duì)三個(gè)參數(shù)（Kp、Ki、Ki）優(yōu)化調(diào)整，就可以得到最優(yōu)的控制曲線。

采用上述研究方法能夠有效的完成基于KUKA六自由度工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)建模，在運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的基礎(chǔ)上得出高效的控制算法，通過Matlab軟件的仿真，能得出控制六自由度機(jī)器人高效穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)的最優(yōu)算法。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果分析

將模糊自適應(yīng)PID調(diào)速系統(tǒng)與沒加入智能算法的六自由度工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)系統(tǒng)進(jìn)行比較，響應(yīng)對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

從上圖顯示的結(jié)果顯示，引入模糊自適應(yīng)PID智能算法的六自由度工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)比未做處理的系統(tǒng)具有更好的適應(yīng)性和控制效果，且控制平穩(wěn)速度快，超調(diào)量小，表明六自由度工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)加入智能算法具有良好的控制效果。

4 小結(jié)

采用模糊自適應(yīng)PID算法應(yīng)用于六自由度工業(yè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中位移、力矩、速度、加速度等參數(shù)的精準(zhǔn)控制，有效提高系統(tǒng)的控制精度和控制速度，從而減少機(jī)器人在生產(chǎn)中的誤差和降低生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的生產(chǎn)效率和競(jìng)爭(zhēng)力。

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