探究工业机器人的高速高精度控制方法

基本干扰抑制性能。 换言之，外界干扰 ｗ 到输出 ｚ 的最小增益应 该小于所给定的正常值 γ，当 ｒ 值越小时，ｗ 的干扰衰减就越快，此 时选取衰减率 γ就可以获得最佳的干扰衰减功能［２］ 。
３ 基于高速高精度控制的其它方法介绍 从理论上讲，分析鲁棒 Ｈ∞ 的有限时间控制，应该基于终端滑 模神经网络与时延估计控制等几种方法，只有这样才能实现对工 业机器人的高速高精度轨迹跟踪控制，体现系统的鲁棒性。 但在 进行系统设计过程中，也要注意其设计方面所存在优势与劣势。 首先，在工业机器人高速运行时，它的负载变化会非常剧烈， 其所产生的摩擦力复杂性也会随着机器的运动过程而产生强烈冲 击，这些冲击会使得系统的实际运行状况变得相当复杂。 在这种 情况下，鲁棒 Ｈ∞ 可以在有限时间内控制一切外部扰动，将其视为 是一种不确定性，利用 ｒ 指标来掌握系统控制性能的优劣，并且它 也会关注工业机器人系统的非线性特征，非常符合实际。 其次，在鲁棒时延估计 Ｈ∞ 系统中所存在的神经网络在有限时 间控制状态下其估计结构参数会存在一定的不确定性，所以需要 对其进行持续激励才能收敛到最优值状态，并且更适合于高速复 杂的工业机器人运动轨迹跟踪控制。 如果系统存在快变干扰，将 大大限制神 经 网 络 发 挥 功 能， 此 时 只 能 通 过 改 变 结 构 项 来 补 偿 系统。 最后，时延估计控制模型虽然不需要动力学模型知识，而且鲁 棒性强，但是它的非线性特性不确定性较强，并且需要在控制系统 中安装加速度传感器以了解加速度信息，对控制周期要求相对较 为严格，所以在这一系统中选择合适的对称矩阵将是提高机器人 高速高精度控制的重中之重。 从整体上来看，上述的几种控制器系统是均带有一定鲁棒性 的，但它们在实现方式上存在区别。 从鲁棒 Ｈ∞ 时延估计控制器与 鲁棒 Ｈ∞ 有限时间控制器上来看，二者的系统不确定性评价函数存 在设计差异，所以要通过 γ来确定控制器的部分参数，并定量证明 其鲁棒性，例如可以通过反步法中的有限时间控制功能与神经网 络功能来改变系统结构性从而提高鲁棒性。 而基于时延估计的有 限时间控制系统则通过时延信息来克服系统中受控制对象的不确 定性因素影响，进而提升工业机器人的高速高精度控制。 而且它 也不需要精确模型，且鲁棒性相当优良［３］ 。 ４ 结语 总而言之，在工业机器人处于高速运动状态下时，控制器的鲁 棒性越强，它的跟踪速度与精度就越高，而且消除了可能存在的机 器人控制抖振现象，使机器人始终处于高精度控制状态下。 而当 工业机器人处于高负载变化且剧烈运动时，如喷涂作业、搬运作业 等等，则最好采用鲁棒 Ｈ∞ 有限时间控制器来进行控制，精确确定 机器人的运动轨迹及周期性特征，同时采用神经网络有限时间控 制器来降低机器人的实时能耗消耗。
１ 基于鲁棒性控制的时延估计控制器设计 研究鲁棒时延估计控制器，首先要了解机器人的控制规律，其 设计公式应该为：
τ＝Ｍｕ ＋Ｆ＾（ ｑ，ｑ´，ｑ¨） ｕ ＝ｑ¨ｄ －Ｋｐ ｅ －Ｋｄ ｅ´ 在上述公式中，Ｋｐ ， Ｋｄ 均表示正常数环境下的对角矩阵，而 Ｆ＾（ ｑ，ｑ´，ｑ¨）则作为估计值出现，它通过时延估计来在线获得具体数 据。 在该公式表达中体现了时延值的具体关系，其中 ｔ －Ｌ 就表示 了时刻的值，而 ｔ 则是当前控制时间，Ｌ 表示估计延迟时间。 在实 际应用状态下，Ｌ 表示了可以设置的最小采样周期，一旦采样频率 大于 ３０ 倍系统带宽，那么数字控制系统就可以被视作是连续系 统，此时 Ｌ 也满足工业机器人的控制规律要求，因此根据这一层关 系可以得出工业机器人的控制规律。 根据控制规律推算可以得出时延估计控制器在功能方面是类 似于计算力矩控制的，但它已经可以脱离了机器人的动力学模型 相关知识，得出更加简单的算法。 当时延估计误差为 ｗ ＝０ 时，就 有 Ｆ＾（ ｑ，ｑ´，ｑ¨） ＝Ｆ（ ｑ，ｑ´，ｑ¨） ｔ －Ｌ ＝Ｆ（ ｑ，ｑ´，ｑ¨） ，当这一关系成立后，就可 以计算出机器人时延估计技术下闭环系统的误差动态。 该闭环系统在误差动态方程下逐渐趋于稳定，而时延估计误 差 ｗ 也同时在削弱系统的控制品质。 所以为了进一步提升工业机 器人系统的鲁棒性，应该考虑将时延估计误差 ｗ 视为是与输入状 态相关的干扰项，再结合相关增益控制方法，就能设计一套基于鲁 棒性 Ｈ∞ 的高速高精度控制策略［１］ 。 ２ 鲁棒 Ｈ∞ 的控制器相关设计 之所以要引入时延估计策略，目的就在于发挥工业机器人非 线性系统中的转化能力，优化具有扰动特性的线性系统问题。 在 这里，工业机器人的非线性鲁棒 Ｈ∞ 转化为线性鲁棒 Ｈ∞ ，这就是控 制器设计的主要目的。 为了确保工业机器人的线性鲁棒 Ｈ∞ 系统 具有鲁棒性。 基于以上内容研究，确保鲁棒 Ｈ∞ 控制器系统满足抑制性能准 则，使其具有足够的 Ｈ∞ 鲁棒性能。 首先要证明 ｗ 的有限界限，满 足系统需求，然后证明引入 ｕ１ 可以降低由外界干扰所引起的状态 调节误差。 当闭环系统满足 Ｌ２ 的基本性能准则后，就证明了鲁棒 Ｈ∞ 的
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参考文献： ［１］刘海涛，张铁．基于时延估计和鲁棒 Ｈ∞ 控制的工业机器人跟 踪控制［ Ｊ］．华南理工大学学报（ 自然科学版） ，２０１２，４０ （１ ）：７７
～８１． ［２］赵杰，杨永刚，刘玉斌等．高精度轨迹跟踪的 ６ －ＰＲＲＳ 并联机 器人自抗扰控制研究［ Ｊ］ ．控制与决策，２００７，２２（７）：７９１ ～７９４． ［３］ 刘海涛．工业机器人的高速高精度控制方法研究［ Ｄ］．广州：华 南理工大学，２０１２：９３ ～１０５．
在探究工业机器人高速高精度控制时，绝对不能忽略对它的 非线性特性调整。 一般来说，传统做法会采用基于动力学模型的 精度控制技术，但由于机器人关节存在齿轮以及传动机而且为了达到对工业机器人的动力学惯性参数精确控制，还 要耗费大量的时间及人力进行实验设计及参数辨识优化，对成本 消耗也是一种负担。 所以本文希望提出基于鲁棒性的时延估计控 制技术，该技术对各种不确定性参数辨识具有优越的估计补偿特 性，算法也相对简单有效，非常利于工业机器人的设计与应用，也 能满足机器人结构中的位置非线性特性需求并屏蔽各种来自于外 界的干扰。
科技展望 ２０１６ ／１４
探究工业机器人的高速高精度控制方法
李文进
（惠州商贸旅游高级职业技术学校，广东 惠州 ５１６０２５）
【摘 要】现代工业更加讲求的是高质量、高效率，因此机器人应用领 域也得到了快速发展的大好时机。 在提升生产效率与产品品质的过 程中，高速高精度高智能模块化的工业机器人已经成为生产主力。 基 于此，本文就从工业机器人的鲁棒时延估计控制方面探讨了这一套强 耦合、强非线性的多输入输出复杂系统，详细内容阐述如下。 【关键词】工业机器人 高速 高精度 鲁棒时延估计控制 非线性