【摘要】：隨著科技的不斷進步發(fā)展,機械臂在醫(yī)療、航空、工業(yè)制造等領域得到了越來越廣泛的應用與發(fā)展,對其軌跡跟蹤性能也提出了更高的要求。然而機械臂是一個多變量、強耦合、時變的非線性系統(tǒng),難以建立精確的動力學模型,對實現(xiàn)穩(wěn)定、快速、準確的軌跡跟蹤控制造成很大的阻礙。因此,機械臂軌跡跟蹤控制方法的研究有很高的理論和實際應用價值。本文以Dobot串聯(lián)機械臂為研究對象,建立了機械臂的運動學模型和動力學模型,進行了軌跡規(guī)劃研究,然后通過研究設計相應的滑模變結(jié)構(gòu)控制方法,實現(xiàn)了機械臂的軌跡跟蹤控制,具體工作如下:(1)對Dobot機械臂的運動學及動力學進行了分析。首先利用D-H建模方法建立了Dobot機械臂正運動學模型,并利用反變換法對機械臂進行逆運動學分析,通過數(shù)值算例驗證了正逆運動學分析的正確性。然后采用拉格朗日動力學建模方法,建立簡化的Dobot機械臂動力學模型。(2)對機械臂在關節(jié)空間和笛卡爾空間的軌跡規(guī)劃方式進行了研究。首先,研究了關節(jié)空間的三次多項式和五次多項式軌跡規(guī)劃方法,仿真對比分析得出五次多項式可以得到更平穩(wěn)、光滑的軌跡曲線。然后,研究了笛卡爾空間內(nèi)直線插補算法和圓弧插補算法軌跡規(guī)劃方式,并仿真驗證了其可行性和有效性。(3)針對Dobot機械臂動力學模型存在建模誤差和外界干擾,且其上界已知的情況,提出了一種基于改進趨近律的計算力矩法的滑模變結(jié)構(gòu)控制算法。首先針對滑模變結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)指數(shù)趨近律的抖振問題,設計了一種改進的指數(shù)趨近律;然后使用計算力矩法和改進趨近律的滑模變結(jié)構(gòu)控制分別對機械臂的名義模型和不確定部分進行控制,利用已知的不確定部分上界值對建模誤差和外界干擾進行補償;最后通過李雅普諾夫函數(shù)證明了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。仿真結(jié)果表明該控制算法具有很好的軌跡跟蹤效果,抖振抑制效果和動態(tài)性能顯著提高。(4)針對Dobot機械臂動力學模型中外界干擾和建模誤差較大的情況,在無上界先驗知識條件下,提出了基于干擾觀測器的神經(jīng)網(wǎng)絡自適應滑模變結(jié)構(gòu)控制算法。該方法使用非線性干擾觀測器對外界干擾進行觀測補償,利用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡自適應跟蹤系統(tǒng)建模誤差,并通過李雅普諾夫函數(shù)確定神經(jīng)網(wǎng)絡權(quán)值自適應律,采用滑模變結(jié)構(gòu)控制器作為主控制器,增強系統(tǒng)的魯棒性。仿真結(jié)果表明該控制算法具有較好的抗干擾能力和控制精度,能夠?qū)崿F(xiàn)對規(guī)劃的期望軌跡快速穩(wěn)定精確跟蹤。
【圖文】：

各國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)逐步開始發(fā)展，其中發(fā)展最成功的是日本，長期成為具有國際上最先進機器人技術研究和應用市場的國家，目前全球工業(yè)機器人大約四成在日本以德國為代表的歐洲國家北美工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)也迅速崛起，研發(fā)能力不斷增強。目前國外工業(yè)機器人已經(jīng)發(fā)展成熟，應用不斷擴大，形成了目前具有全球影響力的工業(yè)機器人領導品牌，分為以日本為代表的日韓系和以德國為代表的歐系兩大品牌格局。其中瑞典的ABB、日本的安川、發(fā)那科等品牌據(jù)有了世界51%的市場份額，德國的KUKA、日本的川崎、松下等幾大品牌占市場份額的40%以上[4]。目前國外的工業(yè)技術發(fā)展相對成熟，并且有著相對完整的工業(yè)研究標準供業(yè)界使用。相比國外而言，我國對機械臂的研究起步較晚，上世紀七八十年代才開始著力研究和發(fā)展機械臂，最初十年國內(nèi)各研究機構(gòu)自行開始研究，機械臂科研進展緩慢。80年代后，國家開始將工業(yè)機器人列為“七五”重點研發(fā)計劃，我國工業(yè)發(fā)展開始進入快速的發(fā)展的軌道，后期經(jīng)過“八五”、“九五”機器人技術攻關計劃、“863高技術發(fā)展計劃扶持，我國的機械臂技術從無到有，不斷開拓前進，進入快速發(fā)展階段[5]。

各國工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)逐步開始發(fā)展，其中發(fā)展最成功的是日本，長期成為具有國際上最先進機器人技術研究和應用市場的國家，目前全球工業(yè)機器人大約四成在日本以德國為代表的歐洲國家北美工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)也迅速崛起，研發(fā)能力不斷增強。目前國外工業(yè)機器人已經(jīng)發(fā)展成熟，應用不斷擴大，形成了目前具有全球影響力的工業(yè)機器人領導品牌，分為以日本為代表的日韓系和以德國為代表的歐系兩大品牌格局。其中瑞典的ABB、日本的安川、發(fā)那科等品牌據(jù)有了世界51%的市場份額，德國的KUKA、日本的川崎、松下等幾大品牌占市場份額的40%以上[4]。目前國外的工業(yè)技術發(fā)展相對成熟，并且有著相對完整的工業(yè)研究標準供業(yè)界使用。相比國外而言，我國對機械臂的研究起步較晚，上世紀七八十年代才開始著力研究和發(fā)展機械臂，最初十年國內(nèi)各研究機構(gòu)自行開始研究，機械臂科研進展緩慢。80年代后，國家開始將工業(yè)機器人列為“七五”重點研發(fā)計劃，，我國工業(yè)發(fā)展開始進入快速的發(fā)展的軌道，后期經(jīng)過“八五”、“九五”機器人技術攻關計劃、“863高技術發(fā)展計劃扶持，我國的機械臂技術從無到有，不斷開拓前進，進入快速發(fā)展階段[5]。
【學位授予單位】：青島大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP241

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