冗余双臂型工业机器人动力学建模与零力协调拖动控制

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双臂机器人具有类人手臂的结构,灵活度高,并且工作空间利用率较两个独立单臂有极大的提升,故使用场合非常广泛。本文围绕机器人建模以及关节驱动力矩,系统研究了冗余双臂型工业机器人动力学建模与协调拖动控制问题。以国产自主研发的双臂机器人为研究对象,讨论并设计出基于Linux+Xenomai双内核实时多任务平台的机器人控制软件,建立了运动学以及动力学模型。首先标定出双臂基坐标系并以单臂为例建立D-H模型。引入臂角的概念,完成双臂逆运动学的求解。然后在已知机器人的工作状态(各关节角度、角速度、角加速度)下,结合牛顿-欧拉逆动力学公式,参数化空间惯量矩阵,提取出动力学方程线性回归形式对应的完整参数集。利用最小二乘法和矩阵的QR分解法简化方程,得到具有可辨识的最简参数集的单臂动力学模型。该算法极大地降低了求解动力学问题的时间复杂度,计算速度约为常规迭代算法的13倍并且通过Robot Toolbox全作用域对比校验了模型的正确性。结合冗余双臂机器人低速运行、小惯量轻型机械臂的特点,简化了复杂的动力学模型。设计实现了一种基于“对称轨迹”的快速动力学参数辨识方法,并开发出一套通用的建模工具箱,解决了单臂以及双臂机器人的动力学建模与运动控制问题。通过力矩补偿的方式实现了机器人的零力控制,一方面检验模型,同时为拖动示教服务,形成了完整的机器人引导式编程方法。设计提出了基于零力控制的协调拖动,在仅有位置约束、同时存在位置和力双重约束的情况下,设计实现了实时多任务运行架构下的双臂主从协调拖动控制系统。出于安全性考虑,设计实现了机器人碰撞预防和碰撞检测模块。最后设计双臂关节同步运动实验和协调搬运的位姿跟随实验,从协调拖动的同步性以及跟随位置的准确性两方面分别验证了协调拖动系统的有效性。而且通用型动力学建模工具箱为今后机器人运动控制提供了可参考的技术方案,降低了算法入门门槛,提高了工作效率。
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