基于魯棒自適應(yīng)控制的工業(yè)機(jī)器人恒力焊縫磨拋

基于魯棒自適應(yīng)控制的工業(yè)機(jī)器人恒力焊縫磨拋目錄TOC\o"1-3"\h\u1緒論 11.1工業(yè)機(jī)器人在焊縫磨拋中的研究背景及意義 11.2魯棒自適應(yīng)控制理論及其在工業(yè)機(jī)器人控制中的應(yīng)用 11.3基于魯棒自適應(yīng)控制的恒力焊縫磨拋技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀 31.4本章小結(jié) 42魯棒自適應(yīng)恒力控制理論 42.1魯棒自適應(yīng)控制的基本概念與原理 42.2魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略 52.2.1不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略 52.2.2考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略 62.3本章小結(jié) 73基于魯棒自適應(yīng)控制的仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究 83.1基于Matlab/Simulink的仿真分析 83.1.1不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略的仿真分析 83.1.2考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略的仿真分析 9考慮摩擦的機(jī)器人魯棒自適應(yīng)控制模型示意圖 103.2基于KUKA機(jī)器人的焊縫恒力磨拋加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 113.2.1六關(guān)節(jié)KUKA機(jī)器人恒力控制磨拋加工系統(tǒng) 113.2.2六關(guān)節(jié)KUKA機(jī)器人恒力磨拋實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析 133.3本章小結(jié) 144結(jié)論與展望 14致謝 17

摘要：隨著智能科技在國內(nèi)的飛速發(fā)展，推動了國內(nèi)工業(yè)智能化的變革。如今，在各種磨拋產(chǎn)業(yè)中，已逐步取代了制造業(yè)人員，使用機(jī)器人來進(jìn)行拋光作業(yè)，既能改善工件的拋光品質(zhì)，又能極大地提升拋光的效率。然而，對于焊接后的焊縫進(jìn)行拋光拋光加工，由于其曲面結(jié)構(gòu)的復(fù)雜，在除去剩余的材料的過程中，還必須保持一定的拋光觸點(diǎn)力，避免損傷被加工物，對拋光和拋光的精度有很高的需求，所以現(xiàn)在還主要采用手工拋光。本項(xiàng)目擬開展焊接接頭損傷自動修銳方法研究，研發(fā)一種魯棒自適應(yīng)自動修銳方法，實(shí)現(xiàn)焊接接頭損傷自動修銳。關(guān)鍵詞：魯棒自適應(yīng)控制；工業(yè)機(jī)器人；焊縫磨拋1緒論1.1工業(yè)機(jī)器人在焊縫磨拋中的研究背景及意義目前，以人工智能為代表的智能制造行業(yè)發(fā)展迅猛，正在朝著中國制造2025邁進(jìn)，其中，高端制造業(yè)是這場變革的主要支撐力量。而以機(jī)器人為代表的高科技產(chǎn)業(yè)，更是被納入到了這個(gè)國家的戰(zhàn)略之中。近年來，由于工業(yè)生產(chǎn)的智能化水平不斷提升，使得傳統(tǒng)制造行業(yè)的許多領(lǐng)域都在不斷變化。工業(yè)機(jī)器人的成功使用，將使許多體力勞動者擺脫了艱苦的體力勞動。使整個(gè)制造流程變得更加自動化、智能化。“機(jī)器替換”技術(shù)在許多領(lǐng)域都得到了成功的運(yùn)用。大大增加了生產(chǎn)率。與焊接、堆垛、裝卸等不同的使用方式相比，目前在磨拋業(yè)中使用的機(jī)器人仍處于初級階段。究其根源，是由于研磨和拋磨過程更為復(fù)雜，多個(gè)工藝因素相互耦合，造成了拋光過程的不穩(wěn)定性，且同一工件表面形狀各異，與高均勻性的制造自動化要求形成了沖突?，F(xiàn)有的機(jī)械臂難以實(shí)現(xiàn)高靈活性，嚴(yán)重限制了拋光過程的自動化水平。目前能夠進(jìn)行拋光的主要有兩種，一種是CNC加工，另一種是加工機(jī)械，前者具有更高的精度，但成本高，而且柔性不強(qiáng)。而在加工過程中，機(jī)械臂的使用更加靈活，能夠進(jìn)行更多種類的研磨工作[1-2]。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于多種原因，造成了一些焊縫的缺陷，其中一些是要進(jìn)行拋光的。由于焊接裂紋的出現(xiàn)具有一定的隨機(jī)性和形式的多樣化，因此，當(dāng)前焊接裂紋的檢測仍以手工為主。對于具有高剛性的流水加工難以完成焊接缺陷的拋光，當(dāng)前的機(jī)器人拋光技術(shù)仍以手工示教為主，其加工品質(zhì)僅依賴于調(diào)試者的經(jīng)驗(yàn)，并未對其進(jìn)行提煉與歸納，難以實(shí)現(xiàn)對工藝參數(shù)的重復(fù)利用。

針對此問題，本文主要研究了焊縫磨拋技術(shù)，并就其焊縫殘余高度、拋光速率等多個(gè)因素的綜合研究，得出了優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過對拋光過程參數(shù)進(jìn)行仿真與實(shí)驗(yàn)，可以有效地提升拋光過程的運(yùn)行效率，并保證產(chǎn)品質(zhì)量。1.2魯棒自適應(yīng)控制理論及其在工業(yè)機(jī)器人控制中的應(yīng)用在當(dāng)今制造業(yè)快速發(fā)展的背景下，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式，尤其是在諸如焊接、拋光等高精密加工領(lǐng)域。但由于焊縫材料硬度不均勻、焊縫形狀不規(guī)則等特點(diǎn)，對其具有較強(qiáng)的適應(yīng)性與魯棒性提出了更高的需求。針對這種需要，提出了一種用于恒力焊接的魯棒自適應(yīng)加工與加工方法。魯棒自適應(yīng)控制器是一種將魯棒性和適應(yīng)性相結(jié)合的高級控制器，能夠有效地應(yīng)對各種復(fù)雜、不確定的環(huán)境。其關(guān)鍵思路是將魯棒控制器的穩(wěn)定性保證與自適應(yīng)控制器的柔性調(diào)整相融合，使其在多種工況下均能保持穩(wěn)定工作。

但是，單靠魯棒控制是不能完全達(dá)到要求的。有時(shí)，為了滿足復(fù)雜多變的環(huán)境，還必須具有一定的適應(yīng)性。這時(shí)就需要自適應(yīng)控制了。在此基礎(chǔ)上，提出了一種基于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的新型自適應(yīng)控制器。通過對其進(jìn)行持續(xù)的學(xué)習(xí)與調(diào)整，可以保證在多種不確定性情況下仍具有最佳的性能。魯棒自適應(yīng)控制正是把兩者有機(jī)地融合在一起，構(gòu)成一個(gè)更為綜合、更為有效的系統(tǒng)。該方法不但可以確保在不同工況下的穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以隨著外界的改變而不斷地調(diào)整，從而達(dá)到最佳的控制效果。將魯棒自適應(yīng)控制理論應(yīng)用于工業(yè)機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡跟蹤，具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。隨著現(xiàn)代工業(yè)自動化水平的不斷提高，工業(yè)機(jī)器人得到了越來越多的使用，但其在復(fù)雜變化的環(huán)境中仍能穩(wěn)定高效地工作，是一個(gè)迫切需要解決的難題。魯棒自適應(yīng)控制器的出現(xiàn)，為該問題的研究帶來了新的思路。

首先，由于加工對象的不規(guī)則外形、材料的不同以及外界環(huán)境的多變，使得其在作業(yè)時(shí)會遇到大量的不確定性。由于上述原因，使得機(jī)械臂的運(yùn)動軌跡發(fā)生偏移，從而降低了機(jī)械臂的工作性能和工作效率。為了解決該問題，提出了一種魯棒自適應(yīng)控制器。該方法可以在不受外界干擾的情況下，通過對系統(tǒng)運(yùn)行過程中的運(yùn)行狀態(tài)及外界條件的改變，來實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動過程中存在的不確定性的自動調(diào)節(jié)[2-4]。

在對焊接件的磨拋工藝中，恒力的調(diào)節(jié)是非常關(guān)鍵的。但因焊縫形狀、尺寸及材料等方面的不同，使得機(jī)器人手臂對焊縫的作用力必須持續(xù)調(diào)節(jié)，才能保證工件的高品質(zhì)與高效率。魯棒自適應(yīng)控制可實(shí)現(xiàn)焊接過程中機(jī)器人手臂的運(yùn)動，并通過準(zhǔn)確的運(yùn)算與判定，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的路徑與轉(zhuǎn)速的動態(tài)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人持續(xù)受力。這種方法不但可以改善焊接面的磨拋精度與均勻性，而且可以防止過磨或不夠磨，從而保證了焊接接頭的整體美觀性。其次，魯棒自適應(yīng)算法對擾動也有很好的抑制作用。在工業(yè)機(jī)器人作業(yè)中，外界的擾動難以避免。比如，機(jī)器人手臂在風(fēng)作用下會出現(xiàn)很小的震動，或是因?yàn)檠b備的老化，使得其控制的準(zhǔn)確性降低。但是，魯棒自適應(yīng)控制可以很好地消除或補(bǔ)償這種擾動，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定與可靠。

另外，基于魯棒的自適應(yīng)控制技術(shù)可以有效地改善工業(yè)機(jī)器人操作的有效性與準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，通過對系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行在線優(yōu)化，提高了系統(tǒng)對外界環(huán)境的適應(yīng)性，降低了系統(tǒng)的調(diào)試周期，降低了系統(tǒng)的能量消耗。在此基礎(chǔ)上，通過對其進(jìn)行最優(yōu)的控制，進(jìn)一步提高其操作精度，進(jìn)而改善加工品質(zhì)與一致性。另外，魯棒自適應(yīng)控制器對于提高工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)行的安全與可靠度具有重要意義。當(dāng)遇到突發(fā)擾動或系統(tǒng)失效時(shí)，魯棒的自適應(yīng)控制器可以快速響應(yīng)并及時(shí)地調(diào)節(jié)控制方案，從而防止機(jī)械臂的失控和安全事件的產(chǎn)生。1.3基于魯棒自適應(yīng)控制的恒力焊縫磨拋技術(shù)的國內(nèi)外現(xiàn)狀工業(yè)機(jī)器人臂磨拋焊接是一項(xiàng)集機(jī)械臂與焊接磨拋加工為一體的新方法。該方法采用工業(yè)機(jī)器人精準(zhǔn)高效的運(yùn)動特征，配合專用的焊縫研拋刀，實(shí)現(xiàn)焊縫的自動加工，從而提高焊縫質(zhì)量和改善焊縫外觀。

在工業(yè)機(jī)器人發(fā)展之初，對其進(jìn)行磨除和拋光工作仍以手工為主。盡管手工作業(yè)方式靈活多變，但其工作效率較低，而且由于作業(yè)人員的技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)等因素的制約，造成了焊接質(zhì)量的不穩(wěn)定。近年來，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究，并提出了將其用于焊接拋光加工中的方法，并對其進(jìn)行了程序與控制[5-6]。在已有的研究基礎(chǔ)上，通過對焊接工藝的研究，提出了一種基于智能材料的焊接自動研磨拋光新方法。在此基礎(chǔ)上，引入了多種先進(jìn)的工藝與檢測方法，實(shí)現(xiàn)了對焊接工藝的智能化、精細(xì)化。近年來，在人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等領(lǐng)域的快速發(fā)展下，焊接加工機(jī)器人正在逐步向智能化、自動化方向邁進(jìn)。在此基礎(chǔ)上，利用深度學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等方法，對焊接過程中焊接點(diǎn)的定位與形態(tài)進(jìn)行自主辨識，并針對具體工況進(jìn)行修正與修正，從而達(dá)到更為精確、有效的熔接磨拋。在對其進(jìn)行加工時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注并克服一些重要的工藝問題。首先討論了機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和運(yùn)動的控制問題。針對不同類型、不同類型的工件，設(shè)計(jì)合理的研拋磨軌跡，保證機(jī)器人能夠準(zhǔn)確高效地完成拋光作業(yè)，具有十分重要的意義。為此，本項(xiàng)目提出了一種新的焊接工藝方法，即通過建立焊接接頭的3D模型，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新的焊接工藝路線。其次，進(jìn)行了磨拋投過程中的工藝參數(shù)的優(yōu)選。磨拋加工包括磨拋速度、磨拋力、磨拋角等多個(gè)技術(shù)因素，其合理選取直接關(guān)系到磨拋加工的質(zhì)量與加工效率。為此，必須采用試驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法，優(yōu)選出最優(yōu)的研磨配方。另外，在對焊接質(zhì)量進(jìn)行測量的過程中，傳感器和測量系統(tǒng)也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。該方法可以對焊接工藝進(jìn)行在線監(jiān)控，并對磨削加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，使其具有良好的應(yīng)用前景。但在實(shí)際應(yīng)用中，如何實(shí)現(xiàn)高精度、高穩(wěn)定度的感知與探測，并對海量的實(shí)時(shí)信息進(jìn)行處理與分析，是目前亟待解決的關(guān)鍵問題。第四，如何提高機(jī)器人的適應(yīng)性是一個(gè)非常重要的問題?？紤]到焊縫形狀、尺寸及材質(zhì)等方面的不同，要求該機(jī)器人具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，并能依據(jù)具體環(huán)境對其進(jìn)行自主調(diào)節(jié)。這就要求我們進(jìn)一步研究并完善其控制策略及智能判定機(jī)理。1.4本章小結(jié)本章就基于魯棒自適應(yīng)控制的工業(yè)機(jī)器人恒力焊縫磨拋的研究背景及意義進(jìn)行了詳細(xì)闡述，其應(yīng)用潛力巨大有極高的研究開發(fā)價(jià)值。其次還分析了國內(nèi)外基于魯棒自適應(yīng)控制的恒力焊縫磨拋技術(shù)的研究現(xiàn)狀，就近年來相關(guān)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了了解與分析。最后就基于魯棒自適應(yīng)的恒力焊縫磨拋中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了概述，就各個(gè)技術(shù)因素的優(yōu)化及工藝方法的設(shè)計(jì)，精度穩(wěn)度的提高進(jìn)行了論述和比較。2魯棒自適應(yīng)恒力控制理論2.1魯棒自適應(yīng)控制的基本概念與原理魯棒自適應(yīng)控制是一種將魯棒控制與自適應(yīng)控制相結(jié)合的魯棒控制方法，其核心思想是：在外界擾動或模型誤差等因素作用下，通過構(gòu)造一種結(jié)構(gòu)與參數(shù)給定的控制器，使其在多種不確定因素（如外界擾動、模型誤差等）下仍然具有較好的穩(wěn)定性與控制效果。

魯棒控制的特征在于其穩(wěn)定性以及對不確定因素的處理能力，魯棒控制側(cè)重于在各種不確定因素作用下的穩(wěn)定性，以及魯棒控制對不確定因素的適應(yīng)能力，無需對系統(tǒng)的全部信息進(jìn)行充分的了解，因此魯棒控制更適合于復(fù)雜多變的系統(tǒng)[9-10]。

另外，魯棒控制側(cè)重于提高系統(tǒng)的性能與穩(wěn)定性，通過對控制器的優(yōu)化，可有效降低超調(diào)量、提高響應(yīng)速度等，進(jìn)而提高魯棒控制的綜合性能。

本項(xiàng)目的研究成果將為魯棒控制理論的發(fā)展提供新的思路，也為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性提供新思路。

2.2魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略2.2.1不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略目前我國針對磨拋機(jī)器人建立的魯棒控制策略，其能很好地控制機(jī)器人的磨拋力跟蹤誤差收斂，但系統(tǒng)響應(yīng)速度慢，環(huán)境外在干擾等因素對其系統(tǒng)的影響較大，跟蹤效果一般。在魯棒自適應(yīng)控制策略的基礎(chǔ)上，基于Lyapunov理論對機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出來新的不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制策略[14-15]。通過在線估計(jì)機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)，將其動力學(xué)模型線性化，消除機(jī)器人系統(tǒng)自身的未知參數(shù)及外在環(huán)境干擾等因素的影響，保證其系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最終有界和全局漸進(jìn)穩(wěn)定。不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制控制器設(shè)計(jì)：六關(guān)節(jié)磨拋機(jī)器人動力學(xué)模型為：M因?yàn)殡y以得到六關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的準(zhǔn)確值，所以將其分為兩個(gè)部分：第一個(gè)部分為精確已知部分，M?q,C?qq和G?q;第二個(gè)部分為不確定部分，△Mq，△CqqMG假設(shè)第二部分都為零，那么可以得到：M為了建立機(jī)器人不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制模型，需要利用到以下機(jī)器人系統(tǒng)的基本性質(zhì)：機(jī)器人系統(tǒng)基本性質(zhì)1：Mq是對稱正定矩陣，且Mq和M?1q)作為q的函數(shù)是一致有界的，則存在正數(shù)λ?和λ?0<λ?I≤Mq機(jī)器人系統(tǒng)基本性質(zhì)2：離心力和哥氏力的非線性耦合矩陣C(qq)和斜對稱矩陣，即有：機(jī)器人系統(tǒng)基本性質(zhì)3：離心力和哥氏力的非線性耦合矩陣C(qq)關(guān)于是q線性的，則有：在跟蹤誤差e的基礎(chǔ)上定義新的輔助信號：qr=qd?Λe，σ=e+對上式求導(dǎo)并代入前面公式可得：Mσ=M令N=?Mτ將自適應(yīng)律代入魯棒自適應(yīng)控制算法，形成不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制器[16-17]：τ=?2.2.2考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略機(jī)器人系統(tǒng)具有高耦合、高非線性等特點(diǎn)，使用機(jī)器人控制策略的主要目的是將跟蹤機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)的誤差快速收斂到零。然而，機(jī)器人系統(tǒng)本身的一些不確定參數(shù)，以及外部環(huán)境干擾等因素，將極大地影響機(jī)器人的加工工作執(zhí)行，尤其是對于追求高速、高精度復(fù)合型要求的新型機(jī)器人。六關(guān)節(jié)機(jī)器人沒有考慮魯棒自適應(yīng)控制系統(tǒng)的摩擦力，很難實(shí)現(xiàn)相關(guān)參數(shù)和值的快速完全收斂。摩擦系數(shù)是影響機(jī)器人系統(tǒng)的最常見因素之一。六關(guān)節(jié)機(jī)器人受摩擦系數(shù)的影響很大，這也與機(jī)器人每個(gè)關(guān)節(jié)的速度和加速度有關(guān)。其摩擦特性還具有與機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)的位置相關(guān)的特性。通過替換上述公式方程組中考慮的摩擦因素，導(dǎo)出了考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制策略?？紤]摩擦因素影響時(shí)，六關(guān)節(jié)磨拋機(jī)器人動力學(xué)模型為：其中：f=A?sinq+??設(shè)計(jì)如下控制器：定義機(jī)器人的跟蹤偏差、偏差速度、偏差加速度：e=q?qd，K?和K?聯(lián)立公式方程組可得：e通過選擇合適的增益矩陣K?和K?設(shè)計(jì)總的控制器為：τ=τ?+τ?其中，τ?定義為計(jì)算轉(zhuǎn)矩控制器，τr=??考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制策略穩(wěn)定性證明：設(shè)計(jì)Lyapunov函數(shù):將Mσ=?Cσ?MV通過機(jī)器人基本性質(zhì)1-3，且代入τ=τ?+τ?,因此可以推導(dǎo)出：V設(shè)定ε=?Kε?1ε,將V2.3本章小結(jié)本章就基于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，首先闡述了恒力控制的基本原理及概念及魯棒控制的基本原理與特點(diǎn)，然后基于動力學(xué)模型及運(yùn)動學(xué)函數(shù)和公式搭建了魯棒控制的模型。其次，針對機(jī)器人魯棒控制系統(tǒng)中的未知參數(shù)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)規(guī)律，得到了不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制器,并將考慮的摩擦因素代入至之前的公式方程組中，推導(dǎo)得到了考慮的魯棒自適應(yīng)控制器，然后搭建基于Matlab/Simulink的仿真模型。3基于魯棒自適應(yīng)控制的仿真分析與實(shí)驗(yàn)研究3.1基于Matlab/Simulink的仿真分析3.1.1不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略的仿真分析根據(jù)不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制模型的理論分析，在Matlab/Simulink中搭建如圖所示的不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制仿真系統(tǒng)圖3.1不考慮摩擦的機(jī)器人魯棒自適應(yīng)控制模型示意圖根據(jù)實(shí)際具體情況，參考相關(guān)資料，建立了圖3.1所示的模型，選擇設(shè)定六關(guān)節(jié)機(jī)器人模型仿真參數(shù)等，其中未知參數(shù)真實(shí)值為β=[20.550.4]?,相應(yīng)初始參數(shù)估計(jì)為機(jī)器人不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制系統(tǒng)的有關(guān)參數(shù)取為：A=diag(555555),γ=20,ε=0.02對搭建的機(jī)器人不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制模型進(jìn)行周期為10s的模擬仿真，六關(guān)節(jié)機(jī)器人末端磨拋設(shè)備誤差設(shè)定為1.02mm。當(dāng)設(shè)定期望機(jī)器人末端磨拋力為20N，環(huán)境剛度為10.0N/mm時(shí)，力跟蹤誤差仿真效果如圖所示。當(dāng)系統(tǒng)環(huán)境位置發(fā)生變動時(shí)，六關(guān)節(jié)機(jī)器人的末端磨拋力跟蹤誤差在1s后圍繞0做正弦運(yùn)動，磨拋力跟蹤效果較好。圖3.2不考慮摩擦的機(jī)器人魯棒自適應(yīng)控制仿真結(jié)果圖從圖中可以看出，本節(jié)提出的不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制算法有效，提高了六節(jié)機(jī)器人控制系統(tǒng)的控制效果，機(jī)器人末端磨拋力跟蹤誤差能較快收斂，具有良好的棒性，存在的不足之處是是未考慮機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)摩擦的影響，仍然受外在干擾因素響，只能收斂至預(yù)期值附近，難以準(zhǔn)確跟蹤期望力。經(jīng)過多次同參數(shù)定周期的不考慮摩擦的機(jī)器人魯棒自適應(yīng)控制模型仿真的分析選擇合適的參數(shù)的情況下，不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制能夠較好地對期望力實(shí)時(shí)做出動態(tài)響應(yīng)，但其穩(wěn)態(tài)精度較自適應(yīng)控制策略沒有明顯提升，如圖3.2所示，其存在的不足之處一小節(jié)的研究中能夠得到很大改善。3.1.2考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制的力跟蹤策略的仿真分析根據(jù)不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制模型的理論分析，在Matlab/Simulink中搭建如圖所示的不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制仿真系統(tǒng)。圖3.3考慮摩擦的機(jī)器人魯棒自適應(yīng)控制模型示意圖根據(jù)實(shí)際具體情況，參考相關(guān)資料，建立了圖3.3所示的模型，選擇設(shè)定六關(guān)節(jié)機(jī)器人模型仿真參數(shù)等，其中未知參數(shù)真實(shí)值為β=［20.580.3］T，相應(yīng)初始參數(shù)估計(jì)為β=［0.40.80.3］K?(404040404040)，K?(606060606060)，Λ對搭建的機(jī)器人考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制模型進(jìn)行周期為10s的模擬仿真，六關(guān)節(jié)機(jī)器人末端磨拋設(shè)備的運(yùn)動誤差設(shè)定為1.02mm。當(dāng)設(shè)定期望機(jī)器人末端磨拋力為20N，環(huán)境剛度為10.0N/mm時(shí)，機(jī)器人未端磨拋力跟蹤誤差仿真效果如圖所示。機(jī)器人未端磨拋力跟蹤誤差能夠在0.5s后迅速收斂逼近至0N，在2s后能保持穩(wěn)定狀態(tài)，但難以完全與預(yù)期磨拋力吻合。圖3.4考慮摩擦的機(jī)器人魯棒自適應(yīng)控制仿真結(jié)果圖從圖3.4中可以看出，本節(jié)提出的考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制策略在前一小節(jié)的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)，明顯減輕了摩擦因素對機(jī)器人系統(tǒng)的干擾，機(jī)器人跟蹤誤差能快收斂至預(yù)期值，參數(shù)數(shù)值振動得到有效改善。經(jīng)過多次同參數(shù)定周期的考慮摩擦的機(jī)器人魯棒自適應(yīng)控制系統(tǒng)仿真的分析，在適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇情況下考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制能夠較好地對期望力實(shí)時(shí)跟蹤做出動態(tài)響應(yīng)，且其穩(wěn)態(tài)精度較高，相對傳統(tǒng)控制策略有明顯優(yōu)越性3.2基于KUKA機(jī)器人的焊縫恒力磨拋加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.2.1六關(guān)節(jié)KUKA機(jī)器人恒力控制磨拋加工系統(tǒng)六關(guān)節(jié)磨拋機(jī)器人恒力打磨工作平臺控制系統(tǒng)由庫卡六關(guān)節(jié)機(jī)器人、力信號采集系統(tǒng)、恒力磨拋控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)和磨拋實(shí)驗(yàn)工作臺等組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖所示：圖3.5系統(tǒng)介紹如圖3.5所示，庫卡六關(guān)節(jié)機(jī)器人：機(jī)器人為恒力磨拋平臺的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，機(jī)器人系統(tǒng)接受力信號采集系統(tǒng)和恒力磨拋控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并執(zhí)行相關(guān)指令與程序，基于考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制策略，調(diào)整機(jī)器人自身的運(yùn)行軌跡和姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)對鋼板焊縫的恒力磨拋。力信號采集系統(tǒng)：本系統(tǒng)用于實(shí)時(shí)采集機(jī)器人末端磨拋設(shè)備與工件之間的力信號數(shù)據(jù)。通過力傳感器實(shí)時(shí)測量儲存末端磨拋力，并將相關(guān)原始力信號數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)。恒力磨拋控制系統(tǒng)：對計(jì)算機(jī)傳遞過來的相關(guān)參數(shù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)化，對機(jī)器人的修正位姿進(jìn)行處理，最后將處理好的修正位姿傳遞給磨拋機(jī)器人，控制磨拋機(jī)器人位姿變化。計(jì)算機(jī)：接收力信號采集系統(tǒng)傳遞的原始力信號數(shù)據(jù)，通過力信號修正程序進(jìn)行處理，然后將力信號數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)輸入至機(jī)器人考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制程序，經(jīng)過計(jì)算得到機(jī)器人修正位置數(shù)據(jù)，最后將相關(guān)信息傳遞給恒力磨拋控制系統(tǒng)。磨拋實(shí)驗(yàn)工作臺：將待磨拋的鋼板焊縫固定，防止機(jī)器人磨拋過程中鋼板焊縫脫離原定位置而造成不良后果。六關(guān)節(jié)恒力磨拋機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心模塊為計(jì)算機(jī)，其主要對機(jī)器人考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制程序進(jìn)行數(shù)據(jù)信息處理。通過安裝在磨拋機(jī)器人末端的力傳感器將末端實(shí)際磨拋力信號數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制程序?qū)⒘π盘枖?shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為機(jī)器人修正位置，再將機(jī)器人修正位置信息傳遞給機(jī)器人控制柜，從而控制機(jī)器人進(jìn)行恒力磨拋工作。3.2.2六關(guān)節(jié)KUKA機(jī)器人恒力磨拋實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析未拋光的S型結(jié)構(gòu)件焊縫形貌如圖3.6所示，可以看出，焊縫的寬度在橫向方向上存在差異，但是選用的砂輪寬度大于焊縫最大的寬度，在加工過程中不會產(chǎn)生較大影響。但是沿Z方向上，焊縫的高度是不均勻的，各位置的高低由焊接時(shí)的狀態(tài)所決定，而不同的焊縫高度對磨拋時(shí)砂輪的受力產(chǎn)生影響，不均勻的磨拋力會使得拋光后的焊縫表面質(zhì)量不符合加工要求。因此，基于本文的魯棒自適應(yīng)恒力控制算法，對該焊縫進(jìn)行磨拋加工。圖3.6結(jié)構(gòu)件焊縫初始形貌基于本文的魯棒自適應(yīng)恒力控制算法磨拋結(jié)構(gòu)件焊縫的形貌如圖3.7所示。可以看出，通過本文的力控算法磨拋后的焊縫整體比較均勻，表面質(zhì)量較好，平均力波動值在20%左右，平均表面粗糙度在0.82μm左右，平均殘余高度在0.132mm左右，符合加工需求。圖3.7結(jié)構(gòu)件焊縫拋光后形貌3.3本章小結(jié)本章基于六關(guān)節(jié)磨拋機(jī)器人的動力學(xué)模型。首先，建立了磨拋機(jī)器人的魯棒控制模型，并建立了魯棒控制仿真系統(tǒng)。其次，針對機(jī)器人魯棒控制系統(tǒng)中未知參數(shù)的上限，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律。獲得不考慮摩擦力的魯棒自適應(yīng)控制器，進(jìn)而考慮摩擦力因素對機(jī)器人磨拋的影響，設(shè)計(jì)了一種考慮摩擦力的自適應(yīng)魯棒控制策略，并建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，對單個(gè)控制策略進(jìn)行仿真性能分析。由于各種控制方法的仿真對比，考慮摩擦力的魯棒自適應(yīng)控制策略在響應(yīng)速度和控制精度方面具有顯著優(yōu)勢，并具有優(yōu)異的力跟蹤性能。庫卡六關(guān)節(jié)機(jī)器人執(zhí)行恒力磨拋任務(wù)，通過力信號采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取磨拋力數(shù)據(jù)，并傳輸至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)利用魯棒自適應(yīng)控制程序處理數(shù)據(jù)，計(jì)算出修正位置，再傳遞給控制柜以調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)。磨拋實(shí)驗(yàn)工作臺固定鋼板焊縫。整個(gè)系統(tǒng)核心在于計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確控制，確保恒力磨拋的穩(wěn)定性和效率KUKA機(jī)器人恒力磨拋加工系統(tǒng)采用KUKA高精度機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過恒力控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對工件的精確磨拋。系統(tǒng)可自動適應(yīng)不同形狀和尺寸的工件，提高加工效率和質(zhì)量。未拋光的S型結(jié)構(gòu)件焊縫存在寬度與高度不均勻問題，直接影響磨拋效果。然而，采用魯棒自適應(yīng)恒力控制算法進(jìn)行磨拋加工后，焊縫表面質(zhì)量顯著提升，平均力波動、表面粗糙度和殘余高度均達(dá)到加工要求，驗(yàn)證了算法的有效性。4結(jié)論與展望第一章就基于魯棒自適應(yīng)控制的工業(yè)機(jī)器人恒力焊縫磨拋的研究背景及意義進(jìn)行了詳細(xì)闡述，其應(yīng)用潛力巨大有極高的研究開發(fā)價(jià)值。其次還分析了國內(nèi)外基于魯棒自適應(yīng)控制的恒力焊縫磨拋技術(shù)的研究現(xiàn)狀，就近年來相關(guān)技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了了解與分析。最后就基于魯棒自適應(yīng)的恒力焊縫磨拋中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了概述，就各個(gè)技術(shù)因素的優(yōu)化及工藝方法的設(shè)計(jì)，精度穩(wěn)度的提高進(jìn)行了論述和比較。第二章就基于機(jī)器人運(yùn)動學(xué)模型，首先闡述了恒力控制的基本原理及概念及魯棒控制的基本原理與特點(diǎn)，然后基于動力學(xué)模型及運(yùn)動學(xué)函數(shù)和公式搭建了魯棒控制的模型。其次，針對機(jī)器人魯棒控制系統(tǒng)中的未知參數(shù)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)規(guī)律，得到了不考慮摩擦的魯棒自適應(yīng)控制器,并將考慮的摩擦因素代入至之前的公式方程組中，推導(dǎo)得到了考慮的魯棒自適應(yīng)控制器，然后搭建基于Matlab/Simulink的仿真模型。第三章基于六關(guān)節(jié)磨拋機(jī)器人的動力學(xué)模型。首先，建立了磨拋機(jī)器人的魯棒控制模型，并建立了魯棒控制仿真系統(tǒng)。其次，針對機(jī)器人魯棒控制系統(tǒng)中未知參數(shù)的上限，設(shè)計(jì)了自適應(yīng)律。獲得不考慮摩擦力的魯棒自適應(yīng)控制器，進(jìn)而考慮摩擦力因素對機(jī)器人磨拋的影響，設(shè)計(jì)了一種考慮摩擦力的自適應(yīng)魯棒控制策略，并建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，對單個(gè)控制策略進(jìn)行仿真性能分析。由于各種控制方法的仿真對比，考慮摩擦力的魯棒自適應(yīng)控制策略在響應(yīng)速度和控制精度方面具有顯著優(yōu)勢，并具有優(yōu)異的力跟蹤性能。庫卡六關(guān)節(jié)機(jī)器人執(zhí)行恒力磨拋任務(wù)，通過力信號采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取磨拋力數(shù)據(jù)，并傳輸至計(jì)算機(jī)。計(jì)算機(jī)利用魯棒自適應(yīng)控制程序處理數(shù)據(jù)，計(jì)算出修正位置，再傳遞給控制柜以調(diào)整機(jī)器人姿態(tài)。磨拋實(shí)驗(yàn)工作臺固定鋼板焊縫。整個(gè)系統(tǒng)核心在于計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的精確控制，確保恒力磨拋的穩(wěn)定性和效率。KUKA機(jī)器人恒力磨拋加工系統(tǒng)采用KUKA高精度機(jī)器人作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過恒力控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對工件的精確磨拋。系統(tǒng)可自動適應(yīng)不同形狀和尺寸的工件，提高加工效率和質(zhì)量。未拋光的S型結(jié)構(gòu)件焊縫存在寬度與高度不均勻問題，直接影響磨拋效果。然而，采用魯棒自適應(yīng)恒力控制算法進(jìn)行磨拋加工后，焊縫表面質(zhì)量顯著提升，平均力波動、表面粗糙度和殘余高度均達(dá)到加工要求，驗(yàn)證了算法的有效性?；隰敯糇赃m應(yīng)控制的工業(yè)機(jī)器人恒力焊縫磨拋技術(shù)，展現(xiàn)出在復(fù)雜環(huán)境下的優(yōu)越性能和穩(wěn)定性。通過引入先進(jìn)的控制算法，實(shí)現(xiàn)了對焊接過程中力的精確調(diào)控，顯著提高了焊縫質(zhì)量。未來研究可進(jìn)一步拓展該技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，優(yōu)化控制策略以適應(yīng)更多樣化的工作場景，同時(shí)探索與其他智能制造技術(shù)的融合，推動工業(yè)機(jī)器人向更高層次的自動化、智能化發(fā)展。

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