SCARA型机器人鲁棒控制及仿真的研究

论文摘要

平面关节型机器人又称SCARA（Selective Compliance Assembly Robot Arm）型机器人,是一种应用于装配作业的机器人手臂。随着现代制造业的高速发展,对其运动的速度、精度及有效载荷能力提出了更高的要求。由于机器人性能要求的提高及其工作环境的复杂性,势必会受到环境变化和不确定因素的影响,从而影响其装配的精度。本文首先对SCARA型机器人的本体进行分析,在充分了解了机器人的结构和工作空间的基础上分别利用测地线的方法和拉格朗日法建立了机器人的运动学和动力学模型。本文针对机器人在工作中遇到的不确定因素的影响,如本体的摩擦力、参数的变化、工作中的抖动等因素,结合鲁棒控制理论,对机器人的运动轨迹进行了有效的规划及仿真。同时引入前馈补偿,有效抑制各种干扰因素。由于机器人系统具有时变、强耦合和非线性的动力学特征,其控制是十分复杂的,本文在充分分析了其测量和建模的不精确、负载的变化以及外部扰动等因素的基础上,建立了较为精确和完整的机器人动态模型。同时借助H∞控制方法来研究如何在干扰作用下设计控制器使系统内部稳定且使干扰对输出的影响小于一定程度,并且使系统具有一定的鲁棒稳定性。利用MATLAB中的S-function函数对机器人系统进行仿真。根据机器人的动态方程,编写相应的程序,由机器人系统初始状态条件,通过仿真得出关节的控制输出,结果表明其达到了较好的控制效果。最后,本文结合SolidWorks和3DSMAX软件对机器人进行三维实体造型,并利用MATLAB中的VRML技术导入三维模型,对机器人的运动进行了虚拟,验证了动力学分析及控制设计的有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景及意义
• 1.2 机器人发展历史、现状和发展趋势
• 1.3 SCARA 型机器人概述
• 1.3.1 SCARA 型机器人的应用及其控制的研究现状
• 1.3.2 SCARA 型机器人结构及工作原理
• 1.4 鲁棒控制理论概述
• 1.4.1 鲁棒控制的发展背景和研究现状
• 1.4.2 H∞控制方法简述
• 1.4.3 H∞标准设计问题
• 1.5 课题研究的方法及主要内容
• 本章小结
• 第二章 SCARA 机器人运动学和动力学分析
• 2.1 引言
• 2.2 机器人运动学分析
• 2.2.1 机器人齐次坐标系的建立
• 2.2.2 机器人正运动学
• 2.2.3 SCARA 机器人轨迹规划
• 2.2.4 机器人逆运动学
• 2.3 机器人动力学分析
• 2.3.1 动力学分析基础
• 2.3.2 机器人动力学方程的建立
• 本章小结
• 第三章 SCARA 型机器人鲁棒控制器设计
• 3.1 引言
• 3.2 反馈控制理论的发展
• 3.3 鲁棒控制理论
• 3.3.1 不确定性分析
• 3.3.2 SCARA 机器人鲁棒控制设计
• 3.3.3 鲁棒控制的应用
• 3.4 H∞控制理论
• 3.4.1 H∞控制器设计
• 3.4.2 求解Riccati 方程
• 3.4.3 李亚普诺夫稳定性判据
• 3.4.4 H∞控制理论的应用
• 本章小结
• 第四章 SCARA 机器人前馈型补偿控制
• 4.1 引言
• 4.2 前馈补偿控制
• 4.2.1 补偿控制原理及结构
• 4.2.2 前馈控制系统
• 4.3 PD+前馈鲁棒控制
• 4.3.1 PD+前馈补偿控制结构
• 4.3.2 PD+前馈鲁棒控制律的设计
• 4.4 仿真研究
• 4.4.1 MATLAB 语言
• 4.4.2 仿真结果
• 本章小结
• 第五章 基于VRML 的SCARA 机器人三维仿真的建立
• 5.1 引言
• 5.2 机器人实体模型的建立
• 5.2.1 利用Solidworks 软件建立几何模型
• 5.2.2 基于3DSMAX 的模型转换
• 5.3 VRML 仿真环境的建立
• 5.3.1 VRML 的节点创建
• 5.3.2 VRML 虚拟场景的创建
• 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢