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关键词： 串联机器人   轨迹跟踪控制   滑模控制   力跟踪   阻抗控制  

摘要： 目前,工业机器人被广泛应用在装配、焊接和打磨等生产制造领域。这类任务要求机器人不仅要保证位置控制的精度,也要控制与外部环境的接触力,使机器人具有适当的柔顺特性。然而,机器人在执行接触式作业时,往往面临着复杂且难以精确掌握的环境状态信息,这一因素使得理想的接触轨迹规划变得困难;此外,建模误差、外部随机干扰等因素极大增加了基于动力学模型的机器人控制系统在精确跟踪期望轨迹方面的挑战,也导致系统运动精度下降等问题的出现。本文以六自由度串联机器人作为研究对象,深入探究机器人高精度轨迹跟踪控制方法和接触力阻抗控制技术,论文主要研究内容概述如下: (1)进行机器人运动学与动力学分析,使用改进D-H参数法建立六自由度串联机器人的连杆坐标系进行正逆运动学求解。根据牛顿-欧拉法进行动力学分析,并在MATLAB/Simulink环境下搭建机器人仿真系统,验证了模型系统的可靠性。 (2)针对机器人系统存在建模误差和外界随机干扰等因素对机器人运动状态跟踪性能的影响,提出一种改进的自适应超螺旋非奇异终端滑模控制算法。首先设计了一种改进的非奇异终端滑模面函数,并使用超螺旋算法设计一个基于机器人动力学模型的高阶滑模轨迹跟踪控制器;同时为了解决建模误差等不确定性问题融入自适应算法,估计这些不确定上界值提高系统运动稳定性。最后通过仿真结果分析验证了所设计轨迹跟踪控制算法的有效性和鲁棒性。 (3)针对环境信息不能精确获知的情况下难以实现恒定接触力跟踪问题,设计一个改进的自适应变阻抗控制算法。将本文设计的轨迹跟踪控制器作为其位置控制内环,使用自适应控制在线调整阻抗参数实现力跟踪控制。最后仿真结果验证了本文所设计的恒力阻抗控制算法的可靠性和有效性。 (4)搭建六自由度串联机器人实验平台,将本文设计的控制算法应用于该实验平台中,进行机器人轨迹跟踪控制和恒定接触力阻抗控制的工程实验,进一步验证本文设计的控制算法的可行性。