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1 绪论
1.1 选题背景和意义
随着现代计算机技术的发展,工业生产的自动化水平不断提高,机器人在工业中发挥了重要作用,并被广泛应用于生产中。许多高校研究所,学者开始对机器人智能控制进行了广泛研究的研究。工业机器人控制系统的研究是其研究领域的一个重要方向。工业机器人智能控制的研究已经成为各国的热门话题。
工业机器人是一种多关节,强耦合,非线性多变量系统,其控制数学模型非常复杂,由运动学和动力学方程组成。要实现对多关节机器人在位置和力进行精确控制,需要大量很复杂的数学分析和计算,同时需要高速计算机进行实时计算控制。目前,大部分机器人在生产应用时都是预先编好程序的,来完成装配和焊接等工作。要完成任务必须有精确的定位和对位置控制。对于动车组玻璃的安装等操作时,当多关节机器人需要和物体接触时,要和外部环境接触时,就不仅仅只需要位置的精确。因为当多关节机器人与玻璃接触时,接触力过大会损坏,过小则会因为接触力达不到要求,而不能完成任务。为了让多关节机器人准确实现每个动作,完成工作,多关节机器人应能根据外部的环境变化作出相对应调整,多关节机器人一般通过视觉和力传感器来对外部环境进行采集,然后反馈给控制系统,这样多关节机器人可以以根据外界的变化来进行控制。主动力控制是多关节机器人通过反馈的力信息,然后运用一些控制算法去控制环境的作用力;被动力控制是多关节机器人使用一些辅助机构,来使多关节机器人与环境接触时能对外部作用的力作出反应。机器人主动力控制不需要外部机构的作用,可以克服被动力控制的不足。因此,对多关节机器人进行主动力控制研究在工业生产接触运用有十分广泛的应用前景。在多关节机器人控制系统中,除了控制系统算法,还有交流伺服控制系统部分,其中交流伺服系统在多关节机器人控制系统中也占有重要地位。进行位置和力控制时,为了适应环境的需求,需要多关节机器人交流伺服系统具有更高的精度和扩展性。所以随着人工智能控制的出现,人们也开始研究多关节机器人交流伺服控制系统的性能改进研究。本课题的意义,是通过对多关节机器人控制法研究和交流伺服控制系统的设计,使多关节机器人在位置和力的控制,可以运用到特殊环境工作当中。
1.2 机器人控制系统的发展与现状
近年来,工业机器人技术快速发展,很多高校和公司都在对机器人进行研究,机器人的发展是和其控制算法,伺服驱动器,传感器的发展息息相关的。提高机器人适应复杂生产环境的能力将成为工业机器人的发展趋势。机器人控制系统主要由三部分组成:运动控制策略、运动控制卡和交流伺服电机驱动系统。目前,机器人控制系统的研发主要集中在以下几个方面:
1.2.1 机器人运动控制策略的发展
目前对机器人的控制策略研究有很多方面,有进行机器人轨迹优化的,机器人避障控制的和双臂机器人协同控制的,这些控制主要是机器人在自由空间里运动控制研究。目前在工业生产中,很多场合需要机器人与环境接触,这时不仅需要对机器人进行位置控制,而且需要对其进行接触力的控制。这时,一些专家开始对机器人在复杂环境下,与物体接触时进行大量的控制算法研究。从早期的机器人拖动控制到后来的试教控制,都经历机器人控制的快速发展。但在发展的过程中,各自研究机构,企业都研究出自己独有的控制系统,并且控制算法也不对外开放,都有自己的编程语言,因此人们在使用时,需要对多和编程进行学习。
在工业生产应用了各个公司生产的控制系统不兼容,不能很好的对各种机器人进行协调控制,这也是目前制约机器人发展的主要因素之一。 1979 年,梅森首次提出了控制力和位置的概念,并根据具体任务分别对机器人的不同关节进行力控制和位置控制。这种控制策略存在不足的地方是不能很好的适应外部环境变化时的情况。 多关节机器人具有非常复杂的控制系统,通常其具有实时变化等不确定因素。姿态随时间的变化而变化,外部环境则是未知的。鉴于以上存在的问题,许多专家研究了自适应的控制算法。用该算法可以对多关节机器人接触力进行控制。有代表性的研究是: Kuc Tae-Yong 等运用一些混合的控制算法对机器人接触力进行研究,在稳定性上非常好。Nicoletti G.M 利用李亚普诺夫理论分析了在一定条件下,自适应的 PID 控制算法的的快速稳定性条件。此外,很多专家根据多关节机器人接触力控制的方法,在此基础上研究了滑模控制算法。目前,这些控制算法都只是对其进行了理论方面的研究和分析,并没有实现真正意义上的应用。 当前,人们开始研究更加智能的机器人,这就需要对机器人智能控制算法进行研究。代表性研究如下: Connolly 等采用神经网络进行力/位置混合控制。并利用神经网络选择矩阵和力约束条件,对所测到的力和位置进行了计算;日本学者 Kazuo 与 Toshio 研究了一种模糊神经网络的控制算法,同时对机器人进行力的控制试验,在一些方面对机
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