論文名：A novel model-based robust control design for collaborative robot joint module

期刊索引情況：SCI    影響因子：1.762

收錄于：Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C:Journal of Mechanical Engineering Science

論文內(nèi)容簡(jiǎn)介：

       為了減少負(fù)載和系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊動(dòng)態(tài)性能的影響，本文提出了一種新型的魯棒控制算法來(lái)解決協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊軌跡跟蹤的動(dòng)態(tài)控制問(wèn)題。該控制器由兩部分組成：一部分是基于動(dòng)力學(xué)模型設(shè)計(jì)的名義控制項(xiàng)，旨在穩(wěn)定名義機(jī)器人系統(tǒng)；另一部分是基于李亞普諾夫方法的魯棒控制項(xiàng)，旨在消除不確定性對(duì)跟蹤性能的影響，其中不確定性包括非線性摩擦、參數(shù)不確定性和外部干擾。采用Lyapunov最小化方法來(lái)證明系統(tǒng)是均勻有界和均勻最終有界的。我們?cè)趯?shí)際的協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和快速控制器原型cSPACE的基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該控制器對(duì)協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊具有良好的控制性能，在不確定因素的影響下能提供更精確的軌跡跟蹤。

論文研究背景

       近年來(lái)，協(xié)作機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，如機(jī)器人焊接、噴涂、消費(fèi)電子（3C）行業(yè)、搬運(yùn)重物、裝配等。協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊是協(xié)作機(jī)器人的重要組成部分，其性能直接影響到協(xié)作機(jī)器人的控制效果。通常情況下，協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊由永磁同步電機(jī)和諧波減速器組成，由輸入的電信號(hào)控制，能夠快速響應(yīng)。它具有結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、易于控制等 優(yōu)良特性，已被廣泛應(yīng)用于協(xié)作機(jī)器人的各個(gè)領(lǐng)域。

       外部干擾和不確定性是影響協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊的主要因素，而且不確定性是時(shí)變的、未知的。例如，電樞反應(yīng)的非線性，慣性矩和相位電阻的變化，諧波減速器的齒輪間隙和摩擦力的不確定性等。因此，聯(lián)合模塊系統(tǒng)實(shí)際上很復(fù)雜，容易受到不確定性的影響。在實(shí)際工程中，如何處理不確定因素和外部干擾的影響，實(shí)現(xiàn)協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊的高性能軌跡跟蹤控制是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。 

論文工程應(yīng)用價(jià)值

1） 控制算法設(shè)計(jì)：控制器由以下部分組成，基于模型的名義項(xiàng)和穩(wěn)健控制項(xiàng)。名義項(xiàng)是基于輸入?yún)⒖己蛣?dòng)態(tài)特性開(kāi)發(fā)的，穩(wěn)健項(xiàng)的形成包括不確定因素的上限?；贚yapunov minimax方法，控制被證明是遵循統(tǒng)一有界性和統(tǒng)一終極有界性的。 

2） 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)：提出的新型魯棒控制算法需要一個(gè)可重復(fù)的試驗(yàn)平臺(tái)來(lái)驗(yàn)證其有效性。為了反復(fù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，避免長(zhǎng)時(shí)間的編程，在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上設(shè)計(jì)了快速控制器的原型cSPACE。

3） 控制算法的驗(yàn)證：在協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，比較PID控制和無(wú)魯棒組件的MPD控制的效果。從數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，所提出的魯棒控制算法對(duì)協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊具有良好的控制性能。在實(shí)際應(yīng)用中，所提出的魯棒控制算法可以提供準(zhǔn)確的軌跡跟蹤，并且在負(fù)載的影響下具有很高的魯棒性。

論文依托平臺(tái)

       為了驗(yàn)證所提算法的有效性，在協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)一步驗(yàn)證所提算法的有效性，在機(jī)器人的基礎(chǔ)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊、cSPACE控制平臺(tái)、磁粉制動(dòng)器、帶Matlab/Simulink的計(jì)算機(jī)等組成。

       內(nèi)置的cSPACE控制平臺(tái)和Matlab/Simulink軟件將整個(gè)算法驗(yàn)證周期整合到一個(gè)環(huán)境中，研究人員可以在仿真和測(cè)試之間的開(kāi)發(fā)階段反復(fù)運(yùn)行，無(wú)需頻繁調(diào)整。

結(jié)合CSPACE平臺(tái)進(jìn)行科研的步驟如下：

1)  使用Matlab/Simulink軟件（Maltab R2018b或更高版本），可以實(shí)現(xiàn)所提出的基于模型的新型穩(wěn)健控制算法（NMBRC）的離線編程。

2)  設(shè)計(jì)好的算法程序需要轉(zhuǎn)換為C代碼，可以通過(guò)cSPACE控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，節(jié)省了編寫(xiě)C代碼的時(shí)間，而且Matlab/Simulink軟件獨(dú)特的圖形設(shè)計(jì)使得算法程序的閱讀更加生動(dòng)直觀。

3)  使用Code Composer Studio（CCS）軟件，第二步編譯的C代碼可以通過(guò)JTAG下載到數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）控制板。DSP控制板被集成在cSPACE控制平臺(tái)中。

4)  設(shè)計(jì)的控制算法由DSP（TMS320F28335）實(shí)時(shí)控制，指令周期為6.67ns，TMS320F28335的高速處理能力為150MHz（在線）。

5)  cSPACE控制平臺(tái)通過(guò)USB-TTL控制協(xié)作機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊，通過(guò)USB-TTL，可以在cSPACE GUI上實(shí)時(shí)觀察到你想要顯示的變量。

6)  將cSPACE GUI上顯示的變量以TXT格式保存到計(jì)算機(jī)上，然后用Matlab/Simulink軟件的M代碼對(duì)保存的TXT文件進(jìn)行分析處理。

       由于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和控制器的復(fù)雜性，我們采用快速控制器原型cSPACE作為開(kāi)發(fā)硬件工具，cSPACE系統(tǒng)可以用來(lái)反復(fù)調(diào)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，避免了長(zhǎng)期編程。它為控制算法的驗(yàn)證提供了一個(gè)有效的開(kāi)發(fā)平臺(tái)。這些算法是通過(guò)Matlab/Simulink中的圖形方法開(kāi)發(fā)的，可以在線自動(dòng)生成代碼。上述技術(shù)為研究人員提供了一個(gè)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證算法的良好工具。

論文主要內(nèi)容