多自由度機(jī)器人慣性誤差反饋融合閉環(huán)控制方法初探

劉 康

（仙桃職業(yè)學(xué)院，湖北 仙桃 433000）

自由度是機(jī)器人的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，也是機(jī)器人能夠靈活運(yùn)動(dòng)的關(guān)節(jié)的數(shù)量，靈活度反映了機(jī)器人的靈活性，以及機(jī)器人在做動(dòng)作時(shí)的難易程度。多自由度機(jī)器人是指具備多個(gè)能夠獨(dú)立且靈活運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人，如今在工業(yè)生產(chǎn)中，三軸和四軸機(jī)器人較為常見。

多自由度機(jī)器人被應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)過程之中，多自由度機(jī)器人的使用，減少了員工體力的耗費(fèi)，節(jié)約了時(shí)間，使得生產(chǎn)工作更加高效地進(jìn)行。但是，多自由度機(jī)器人在生產(chǎn)過程中也會(huì)出現(xiàn)誤差，這在一定程度上影響了企業(yè)的生產(chǎn)，誤差的減少就成了多自由度機(jī)器人發(fā)展過程中的一個(gè)重要問題。多自由度機(jī)器人慣性誤差反饋融合閉環(huán)控制方法的出現(xiàn)，為這一問題的解決提供了新的方法。

1 傳統(tǒng)方法中多自由度機(jī)器人控制方法中的問題

傳統(tǒng)的多自由度機(jī)器人的控制主要采用模糊PID方法、智能積分控制法、魯棒控制法等，通過建立多自由度機(jī)器人模型，將機(jī)器人參數(shù)信息與傳感器信息、智能控制等進(jìn)行結(jié)合，使自由度機(jī)器人信息能夠得以跟蹤、控制。傳統(tǒng)的多自由度機(jī)器人的跟蹤多是非線性的反饋、跟蹤、識(shí)別技術(shù)，該方法對(duì)于多自由度機(jī)器人的控制誤差不能進(jìn)行較好的反饋，使其不能擁有良好的自適應(yīng)性。除此之外，傳統(tǒng)的多自由度機(jī)器人的控制還采用延時(shí)脈沖估計(jì)法進(jìn)行跟蹤控制，但該方法使多自由度機(jī)器人的控制環(huán)境的適應(yīng)性達(dá)不到一定的標(biāo)準(zhǔn)，具有較大的延時(shí)性。人工智能技術(shù)的發(fā)展使各類型機(jī)器人的控制性能在不斷地提高，對(duì)多自由度機(jī)器人的設(shè)計(jì)與智能控制方法研究可以提高機(jī)器人工作穩(wěn)定性，具有十分重要的意義。

2 多自由度機(jī)器人慣性誤差反饋融合閉環(huán)控制

2.1 受力參數(shù)優(yōu)化分析模型和動(dòng)力學(xué)模型的應(yīng)用

在研究開始時(shí)，先給多自由度機(jī)器人進(jìn)行機(jī)器人控制參數(shù)辨析模型的分析，在這一參數(shù)辨析模型分析的基礎(chǔ)上，為多自由度機(jī)器人進(jìn)行控制律的進(jìn)一步提升。在這一過程中，需要為多自由度機(jī)器人建立受力參數(shù)分析優(yōu)化模型以及動(dòng)力學(xué)模型。與此同時(shí)，結(jié)合多自由度機(jī)器人的誤差反饋機(jī)制的自我改良以及修正和機(jī)器人的慣性補(bǔ)償來進(jìn)行針對(duì)多自由度機(jī)器人的控制律的設(shè)計(jì)。

首先，我們假設(shè)機(jī)器人具有三個(gè)軸，也就是該機(jī)器人是三自由度的機(jī)器人，一個(gè)三連桿機(jī)構(gòu)，我們可以用一個(gè)3×3的矩陣來展現(xiàn)該多自由度機(jī)器人的動(dòng)力參數(shù)分布。之后，運(yùn)用模型參數(shù)識(shí)別這一策略方法，計(jì)算出該機(jī)器人的變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)矩陣，進(jìn)而得到該多自由度機(jī)器人的變剛度關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)狀態(tài)函數(shù)。最后，運(yùn)用模糊度辨識(shí)模型，建立一個(gè)有關(guān)多自由度機(jī)器人無間斷循環(huán)運(yùn)動(dòng)的一個(gè)控制對(duì)象模型，并運(yùn)用最優(yōu)參數(shù)估計(jì)法得出該機(jī)器人的誤差反饋的持續(xù)無間斷的跟蹤結(jié)果。將這一跟蹤結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，之后來進(jìn)行多自由度機(jī)器人的誤差反饋的自我修正和改良，以及誤差反饋的跟蹤識(shí)別。

2.2 誤差反饋?zhàn)赃m應(yīng)修正和控制律的優(yōu)化

在進(jìn)行多自由度機(jī)器人的在閉環(huán)控制過程中的參數(shù)的自適應(yīng)尋優(yōu)工作時(shí)，可以運(yùn)用慣性補(bǔ)償方法以及誤差反饋?zhàn)赃m應(yīng)修正法，最終得到該多自由度機(jī)器人的結(jié)構(gòu)構(gòu)件控制的矩陣和該多自由度機(jī)器人的剛度矩陣。觀察該多自由度機(jī)器人的姿勢(shì)環(huán)的狀態(tài)反饋結(jié)果，可以得出該多自由度機(jī)器人對(duì)于環(huán)境的適應(yīng)度系數(shù)。之后，對(duì)環(huán)境適應(yīng)度系數(shù)進(jìn)行分析，我們可以進(jìn)一步得到該機(jī)器人的反饋控制輸出。

2.3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

在進(jìn)行多自由度機(jī)器人慣性誤差反饋與融合跟蹤控制的應(yīng)用性能方面做了大量的實(shí)驗(yàn)，采用計(jì)算軟件對(duì)機(jī)器人控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過設(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)的初始條件，通過線性反饋進(jìn)行初試迭代，對(duì)控制器反饋增益、力矩系數(shù)、等效阻尼系數(shù)、慣性誤差修正迭代步長(zhǎng)等進(jìn)行控制，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，通過對(duì)對(duì)自由度機(jī)器人進(jìn)行閉環(huán)控制。得出相關(guān)的正弦信號(hào)和方波信號(hào)。分析相關(guān)圖像得出機(jī)器人的慣性誤差反饋融合跟蹤控制與參考輸入端的控制量無關(guān)，無論是正弦信號(hào)還是方波信號(hào)，得出的機(jī)器人跟蹤性能良好，機(jī)器人的控制誤差較小，實(shí)驗(yàn)過程中能夠在較短的時(shí)間內(nèi)得到最優(yōu)值。不同的測(cè)試方法得到的慣性誤差反饋融合跟蹤控制的迭代誤差不同，采用閉環(huán)控制得到的迭代誤差較小，收斂性較好，控制穩(wěn)定性較高，在短時(shí)間內(nèi)可使其達(dá)到收斂的穩(wěn)定狀態(tài)。

采用閉環(huán)控制方法對(duì)多自由度機(jī)器人進(jìn)行誤差反饋融合跟蹤，通過控制相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模型辨識(shí)，通過慣性誤差反饋融合結(jié)果進(jìn)行控制約束量與控制律進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過建立多自由度機(jī)器人的循環(huán)運(yùn)動(dòng)控制模型，采用最優(yōu)化的參數(shù)估計(jì)對(duì)多自由度機(jī)器人的姿態(tài)環(huán)、自適應(yīng)性、反演等進(jìn)行反饋與控制，這種閉環(huán)控制方法不僅可以提高機(jī)器人控制的穩(wěn)定性與魯棒性，而且可以減小機(jī)器人的迭代誤差，使其具備較高的收斂性，該方法的應(yīng)用價(jià)值較高。

總結(jié)以上操作步驟以及所得出的觀察結(jié)果、結(jié)論以及公式等，我們可以建立多自由度機(jī)器人慣性誤差反饋融合閉環(huán)控制律，運(yùn)用參數(shù)尋優(yōu)的最終結(jié)果，將這些結(jié)果傳輸給機(jī)器人，讓多自由度機(jī)器人進(jìn)行自身位置以及姿勢(shì)的調(diào)整，使得機(jī)器人的穩(wěn)定性進(jìn)一步加強(qiáng)。

3 多自由度機(jī)器人閉環(huán)控制方法的作用效果以及意義

多自由度機(jī)器人閉環(huán)控制方法的提出以及應(yīng)用能夠進(jìn)一步提升多自由度機(jī)器人的控制的穩(wěn)定性以及魯棒性。多自由度機(jī)器人閉環(huán)控制方法的提出以及應(yīng)用可以在一定程度上減少多自由度機(jī)器人在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的誤差的數(shù)量，同時(shí)，多自由度機(jī)器人的生存能力以及抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力進(jìn)一步提高，在面臨外界環(huán)境影響以及自身結(jié)構(gòu)等變化時(shí)，能夠保持相對(duì)的穩(wěn)定。

首先，多自由度機(jī)器人閉環(huán)控制方法的提出可以促進(jìn)一些工廠生產(chǎn)效率的提升；對(duì)于那些使用多自由度機(jī)器人進(jìn)行生產(chǎn)的工廠，多自由度機(jī)器人閉環(huán)控制方法的提出可以減少這些自由度機(jī)器人在生產(chǎn)過程中存在的誤差，這同樣也減少了工廠生產(chǎn)成本，進(jìn)一步提高了工廠的生產(chǎn)效率。其次，這一多自由度機(jī)器人閉環(huán)控制方法的提出，也為之后機(jī)器人的生產(chǎn)、控制，以及穩(wěn)定性的提高提供了進(jìn)一步研究與發(fā)展的思路，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。

多自由度機(jī)器人是指具備多個(gè)能夠獨(dú)立且靈活運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)的機(jī)器人，被應(yīng)用于各種工業(yè)生產(chǎn)過程之中，多自由度機(jī)器人的使用推動(dòng)了生產(chǎn)活動(dòng)更加高效地進(jìn)行。但是在生產(chǎn)過程中，多自由度機(jī)器人由于受到外界環(huán)境影響又或者是自身結(jié)構(gòu)的影響，可能會(huì)出現(xiàn)一些誤差，這在一定程度上影響了生產(chǎn)活動(dòng)順利、正常的進(jìn)行。多自由度機(jī)器人慣性誤差反饋融合閉環(huán)控制方法主要包括受力參數(shù)優(yōu)化分析模型、動(dòng)力學(xué)模型以及誤差反饋?zhàn)赃m應(yīng)修正和控制律的優(yōu)化，這一方法的應(yīng)用可以減少多自由度機(jī)器人在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的誤差對(duì)于之后的機(jī)器人研究也有重要意義。