机器人系统建模

一、基于模型控制方式来改进机器人性能

背景：

在学术界多年前就已经对机械臂动态模型化方法论已有深入研究。它作为一个非常有用工具，通常应用在机器人领域和工程实验室领域里研究和开发人形机器人，开发高级控制算法，运动模拟及其他学术进行研发。动态模型化涉及描述机器人惯量，质量，质心动态性能的数学公式和其他不易简单计算取得数值。尽管在理论研究中频繁可见，但使用动态模型化来改进机器人控制的应用大都得不到研发人员和工业机器人生产商的重视。

高创首先考虑用动态模型化解决半导体行业中高速delta机器人所遇到的性能问题。

模型实例：

通过对运动中机器人上力矩和力的预估，以及对过大力矩的阻止，使得机器人提速变得更简单，更安全，同时减少了振动，缩短整定时间。基于模型的控制最终使机器人系统运动更快，更精准，从而提高产量。

轴伽利略球形机器人（GSR-L）在执行动态模式

使用动态模型，客户能迅速获取整定时间，并更好实现轨迹跟踪运动控制。使用动态模型另外一个好处通过随时变动的机械参数，尤其是摩擦常数，可检测系统磨损和撕裂。力矩误差显示计算出的力矩值能准确预估过滤力矩

作用：

基于模型的控制最直接益处是检测并避免冲击，这点在delta机器人案例中清晰可见。负载，工作环境及操作工可得到更好保护。此外，该控制模式不需要力传感器，从而简化系统设计，减少成本。

该控制方式最显著益处是改善机器人运转状态及提高驱动器性能。要求获取位置的力矩值可被计算得出，且能精确地控制，因此路径得到大幅度地优化。因为通过计算得到电流，并非简单由反馈环获得，所以要求的电流更平缓，从而取得更好速度控制，减少颤抖和抖动。

对于太阳能硅片处理应用机器人，需具备高加速度和高精确度。Delta机器人结构本就脆弱，所以机械臂易损。此外，它还对贵重负载及生产材料受到冲击及损坏带来威胁。

Delta机器人存在损坏自身及负载的风险

Delta动力学基于由球状关节连起来的力的平行四边形，在一些系统中，这些平行四边形连接到移动平台和机械臂连轴。若超过一定位置或角度时，需要力来分解，机器人则大幅度减速，即使是一个小碰撞或强震动也可使机器人解体。更复杂的是，这些断裂点典型地位于伸出位置，碰到障碍物风险更高。机器人折断后，留存的撞击未被检测出，会增加潜在破损机率。

为解决以上隐患并提供delta机器人更好的控制性能，高创工程师采纳并改善科研中原有的动态模式，从而为delta机器人提供更好的控制。

体会：

二、矢量喷水推进式水下机器人的建模仿真与验证

背景：

为提高小型水下航行器的机动性与可控性，构建了一种基于矢量喷水推进系统的新型多自由度水下机器人。为使该机器人具有理想的运动特性和优异的操控性能，对其进行了理论建模、数值仿真与实验验证。首先建立其运动学和动力学模型，分析多矢量推进作用对机器人运动姿态和航行效果的影响，据此研究机器人多矢量喷水推进协调控制的策略与方法，实现机器人自

主升沉、旋转、水平移动等多姿态水中运动。此后，采用MATLAB 和ADAMS 对所建模型和虚拟样机进行了数值仿真，并且对机器人实物样机进

行了水下运动验证实验。仿真分析与实验验证的结果表明，该机器人的运动特性和操控性能符合高机动性和高可控性的设计要求。

实例：

矢量喷水推进式水

下机器人的建模仿真与

作用：

通过矢量喷水推进式水下机器人的建模仿真与验证， 改善缺少原理样机的实验验证，缺乏有力的理论支撑和数据支持的不足，文中根据多自 由 度矢量喷水推进系统的特点，导出矢量喷水推力 关于自 由 度的表达式， 分析矢量推进作用对水下机器人运动姿态和航行效果的影响， 提出机器人多自 由度协调控制的策略与方法， 以水下机器人多种运动状态的真实表现为研究对象，采用理论建模、数值分析有机结合的方式， 验证了矢量喷水推进式水下机器人数理模型的合理性和可靠性。

体会：