新型微小装配机器人控制技术研究

论文摘要

微小型化机器人在工农业生产、医疗、通信、军事、航空航天以及家庭服务等领域都具有广阔的应用前景和重要的应用价值。微小型驱动器是微小型机器人的动力部件,是机器人技术中的一项关键技术。以形状记忆合金（Shape Memory Alloy,SMA）为驱动元件的驱动器具有可恢复应力应变大、功率密度高、适应环境能力强、小型轻量、动作柔顺平滑和易于控制等优点,对于机器人的小型化、轻型化以及降低成本方面可以起到至关重要的作用。机器人是一个高度非线性、存在强耦合的多输入多输出非线性系统,而SMA材料本身的非线性迟滞特性又给SMA驱动器的精确位置控制带来很大困难。因此,当SMA驱动器应用于机器人的整体运动驱动时,其控制技术相当复杂。本文主要研究用SMA驱动器驱动机器人的回转和移动关节精确运动的控制问题。首先,本文以SMA驱动微小型装配机器人为研究对象,在机器人结构设计的基础上,建立机器人的笛卡尔坐标系,利用齐次变换理论和D-H矩阵参数表建立机器人运动学模型;利用Lagrange建模方法建立机器人的动力学模型;采用三次多项式插值的方法进行关节轨迹规划,为机器人的运动控制奠定基础;针对机器人关节间的耦合问题,设计了具有解藕功能的变结构控制器。其次,针对其典型的转动关节和移动关节,分别给出SMA驱动器的数学模型;根据SMA驱动机器人的结构特点,利用S函数建立SMA驱动器和机器人关节的统一数学模型;由于SMA具有较大的非线性迟滞行为,将模糊控制原理引入机器人控制器的设计当中,并结合PID控制方法实现机器人关节的精确位置控制。最后,通过Simulink建立SMA驱动机器人关节的数学模型并进行控制器的设计,对机器人的装配过程中的关节运动进行轨迹跟踪仿真;分析模糊PID控制器中各参数的变化对控制系统性能的影响,为机器人的精确运动控制和类似系统的调试提供理论参考。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状及分析
• 1.2.1 微小型机器人系统的研究现状及分析
• 1.2.2 SMA驱动器的研究现状及分析
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第2章 微小型装配机器人结构原理
• 2.1 机器人原理设计
• 2.2 SMA驱动器原理
• 2.2.1 回转型SMA驱动器原理
• 2.2.2 移动型SMA驱动器原理
• 2.3 机器人运动学分析
• 2.3.1 机器人正运动学分析
• 2.3.2 机器人逆运动学分析
• 2.4 机器人运动学仿真
• 2.4.1 虚拟样机建模
• 2.4.2 机器人关节运动轨迹规划
• 2.4.3 运动学仿真
• 2.5 本章小结
• 第3章 微小型装配机器人动力学分析
• 3.1 机器人动力学建模
• 3.1.1 动能与位能
• 3.1.2 拉格朗日算子L
• 3.1.3 动力学方程
• 3.2 SMA驱动关节动力学建模
• 3.2.1 SMA驱动回转关节数学模型
• 3.2.2 SMA驱动移动关节数学模型
• 3.3 装配机器人动力学仿真
• 3.4 本章小结
• 第4章 机器人运动变结构控制
• 4.1 变结构控制原理
• 4.2 机器人变结构控制器设计
• 4.3 机器人变结构运动控制仿真
• 4.4 本章小结
• 第5章 机器人运动模糊PID控制
• 5.1 模糊PID控制
• 5.1.1 模糊PID复合控制原理
• 5.1.2 模糊自适应PID控制原理
• 5.1.3 模糊PID控制仿真
• 5.2 机器人运动控制仿真
• 5.2.1 仿真环境
• 5.2.2 机器人运动控制仿真结果
• 5.3 控制参数对控制系统影响分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢