一種基於SMA驅動器的機器人關節驅動設計方法與流程
2023-10-09 06:13:49
本發明涉及一種機器人設計方法，具體涉及一種基於SMA驅動器的機器人關節驅動設計方法，屬於智能電子產品技術領域。
背景技術：
微小型化機器人在工農業生產、醫療、通信、軍事、航空航天以及家庭服務等領域都具有廣闊的應用前景和重要的應用價值，微小型驅動器是微小型機器人的動力部件，是機器人技術中的一項關鍵技術；在機器人控制中，實現機器人末端執行器在其工作空間中跟蹤一條任意的軌跡是一類很重要的問題，而在軌跡跟蹤運動中，通常要求機器人具有較高的速度和較好的精度，在這種情況下，一些傳統的控制方法就很難得到理想的結果，因為機器人系統是一個高度非線性系統，且各關節間存在著複雜的非線性的相互作用，因而這些相互作用隨著機器人位姿的不同而有很大的變化，為實現機器人的在線跟蹤控制，並使控制效果儘可能的好，人們希望找到一種控制策略，使得在線控制時，不需要大量的計算來提供非線性補償或進行非線性解藕;而對機器人系統模型中的一些不確定參數具有一定的不敏感性，因此，為了驗證機器人動力學模型的正確性，結合上述機器人運動控制的特點可知，變結構控制是具有解決此類問題的控制策略之一。
技術實現要素：
（一）要解決的技術問題
為解決上述問題，本發明提出了一種基於SMA驅動器的機器人關節驅動設計方法，SMA驅動的機器人結構簡單、質量輕巧、成本大大降低，很容易實現結構尺寸的小型化，仿真結果表明，控制策略很好的實現了裝配機器人在關節運動階段的快速軌跡跟蹤和在裝配階段較高的穩態精度。
（二）技術方案
本發明的基於SMA驅動器的機器人關節驅動設計方法，包括以下步驟：
第一步：根據機器人學的理論建立裝配機器人的笛卡爾坐標系和D-H參數表，求得坐標系間的齊次變換矩陣；利用Pro/Engineer和Adams設計機器人的虛擬樣機；利用Lagrange法建立機器人的動力學模型；設計移動性SMA驅動器；仿真結果表明，理論模型的建立是準確、有效的；
第二步：SMA驅動器的非線性遲滯行為和機器人關節禍合行為都是難於控制的行為，對迴轉關節採用分時運動控制一定程度上降低機器人的工作效率，但通過運用SMA驅動器很容易使機器人尺寸變小、質量變輕、結構更簡潔、製作成本得到很大降低；
第三步：變結構控制是一種有效的解藕控制算法，其關鍵是控制器切換函數的設計以及趨近律和控制律的選擇，採用非線性切換函數可以使關節運動更快的跟蹤到軌跡的變化情況，並一定程度上削弱了系統的抖振現象；
第四步：通過對機器人運動關節對正弦曲線的跟蹤情況可知，模糊PID複合控制器和模糊自適應PID控制器都具有模糊控制靈活、響應快的優點，又有PID控制精度高的優點，同時還具有較強的適應性和魯棒性，對於具有非線性遲滯行為的系統有很好的控制效果；
第五步：通過對SMA驅動機器人運動關節的位置控制仿真分析，得到模糊PID自適應控制在關節臂的運動過程中具有更高的跟蹤精度和更快的響應速度；模糊PID複合控制的系統超調量小，在裝配點處更容易獲得較高的穩態精度；
第六步：通過仿真分析，在兩類SMA驅動機器人運動關節控制系統中，模糊PID複合控制得到的控制電流幅值較大、頻率較小，而模糊PID自適應控制的控制電流幅值相對較小而頻率很高，通過對比其控制效果可以看出，採用高頻、低幅值的加熱電流，能使加熱過程的控制更靈活，可以避免SMA產生過高的溫度，從而減小控制系統的響應時間和系統超調值；
第七步：通過控制變量法對模糊控制和PID控制中各參數對控制系統性能的影響進行分析可知，有目的的調整控制器的參數值可以得到更好的控制效果。
（三）有益效果
與現有技術相比，本發明的基於SMA驅動器的機器人關節驅動設計方法，SMA驅動的機器人結構簡單、質量輕巧、成本大大降低，很容易實現結構尺寸的小型化，仿真結果表明，控制策略很好的實現了裝配機器人在關節運動階段的快速軌跡跟蹤和在裝配階段較高的穩態精度。
具體實施方式
一種基於SMA驅動器的機器人關節驅動設計方法，包括以下步驟：
第一步：根據機器人學的理論建立裝配機器人的笛卡爾坐標系和D-H參數表，求得坐標系間的齊次變換矩陣；利用Pro/Engineer和Adams設計機器人的虛擬樣機；利用Lagrange法建立機器人的動力學模型；設計移動性SMA驅動器；仿真結果表明，理論模型的建立是準確、有效的；
第二步：SMA驅動器的非線性遲滯行為和機器人關節禍合行為都是難於控制的行為，對迴轉關節採用分時運動控制一定程度上降低機器人的工作效率，但通過運用SMA驅動器很容易使機器人尺寸變小、質量變輕、結構更簡潔、製作成本得到很大降低；
第三步：變結構控制是一種有效的解藕控制算法，其關鍵是控制器切換函數的設計以及趨近律和控制律的選擇，採用非線性切換函數可以使關節運動更快的跟蹤到軌跡的變化情況，並一定程度上削弱了系統的抖振現象；
第四步：通過對機器人運動關節對正弦曲線的跟蹤情況可知，模糊PID複合控制器和模糊自適應PID控制器都具有模糊控制靈活、響應快的優點，又有PID控制精度高的優點，同時還具有較強的適應性和魯棒性，對於具有非線性遲滯行為的系統有很好的控制效果；
第五步：通過對SMA驅動機器人運動關節的位置控制仿真分析，得到模糊PID自適應控制在關節臂的運動過程中具有更高的跟蹤精度和更快的響應速度；模糊PID複合控制的系統超調量小，在裝配點處更容易獲得較高的穩態精度；
第六步：通過仿真分析，在兩類SMA驅動機器人運動關節控制系統中，模糊PID複合控制得到的控制電流幅值較大、頻率較小，而模糊PID自適應控制的控制電流幅值相對較小而頻率很高，通過對比其控制效果可以看出，採用高頻、低幅值的加熱電流，能使加熱過程的控制更靈活，可以避免SMA產生過高的溫度，從而減小控制系統的響應時間和系統超調值；
第七步：通過控制變量法對模糊控制和PID控制中各參數對控制系統性能的影響進行分析可知，有目的的調整控制器的參數值可以得到更好的控制效果。
上面所述的實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行描述，並非對本發明的構思和範圍進行限定。在不脫離本發明設計構思的前提下，本領域普通人員對本發明的技術方案做出的各種變型和改進，均應落入到本發明的保護範圍，本發明請求保護的技術內容，已經全部記載在權利要求書中。