基于UR5机械臂的轨迹跟踪控制算法研究

来源:用户上传      作者:王佳　胡旭晓　吴跃成

　　摘 要：为了在现有基础上提高机械臂轨迹跟踪控制的精度，采用自适应模糊反演控制算法对六自由度机械臂UR5进行轨迹跟踪控制算法研究。用拉格朗日法对UR5机械臂进行动力学建模以避免系统的不确定因素影响。由于UR5机械臂满足Pieper准则，故对其进行模型简化，减少运算量，并用拉格朗日法对前两个自由度进行动力学方程推导，该算法在角位移和角速度跟踪方面都表现出了很好的性能。
　　关键词：UR5;模型简化;拉格朗日法;轨迹跟踪;自适应模糊反演控制
　　中图分类号：TP241.2 文献标识码：A
　　Research on Trajectory Tracking Control Algorithm based on UR5 Manipulator
　　WANG Jia， HU Xuxiao， WU Yuecheng
　　Abstract： In order to improve the accuracy of manipulator trajectory tracking control on the existing basis， this paper proposes to study the trajectory tracking control algorithm of 6-DOF （degree of freedom） manipulator UR5 by using the adaptive fuzzy inversion control algorithm. The dynamic modeling of UR5 manipulator is established by Lagrange method to avoid the influence of uncertain factors of the system. Since the UR5 manipulator meets the Pieper criterion， its model is simplified to reduce the amount of computation， and the dynamic equations of the first two degrees of freedom are deduced by Lagrange method. The algorithm shows good performance in angular displacement and angular velocity tracking.
　　Keywords： UR5; model simplification; Lagrange method; tracking; adaptive fuzzy inversion control
　　1 引言（Introduction）
　　随着工业技术的发展，机械臂逐渐成为工业领域自动化水平最高的科技产品之一[1]。在处于确定环境下的生产中，它可以代替人进行繁重的劳动，以实现生产的机械化和自动化并提高产品的质量和生产效率，在有害环境下作业还能够保障人身安全。但当环境发生变化或变得复杂而无法精确测量机械臂的各个参数，以及难以建立精确的动力学模型时，这些不确定因素均会限制机械臂的运动控制，尤其是在机械臂自主进行接触式操作如切割、电焊等方面将会面临非常大的挑战[2]。PID或PD控制[3]是目前工业机器人应用最为广泛的一种控制算法，虽易于操作但难以保证机械臂的动态性能，当启动时的输出力矩过大时容易造成机械臂损坏。本文选用不需要精确模型的控制策略进行跟踪控制研究，避免了因模型建立不够精确而降低控制精度的问题。
　　2 UR5机械臂动力学模型的建立（Dynamic model establishment of UR5 manipulator）
　　2.1 UR5机械臂简介
　　UR5机械臂[4]是由Universal Robots公司开发的灵活、轻型的六关节工业机器人，由六个关节和挤压铝管组成，所有关节均为转动关节。关节1―6分别命名为：机座、肩部、肘部、手腕1、手腕2和手腕3。其中机座可以用来确定机器臂的安b位置。UR5机械臂质量较小（仅18.4 kg），可以方便地在生产场地移动，而且不需要烦琐的安装与设置就可以迅速地融入生产线中，与员工交互合作，并可处理最大5 kg的有效负载。UR5机械臂编程可通过教学编程模式实现，用户扶住机械臂，手动引导机械臂按所需的路径及移动模式运行一次，它就能自动记住移动路径和模式。UR5机械臂可通过一套独特的、友好的图形用户界面进行操作，在触摸屏幕上有多种功能供用户选择。任何重复性的生产过程都能够使用它并从中受益，这使得UR5机械臂的应用十分广泛。
　　UR5机械臂前三个关节主要控制末端的位置，后三个关节主要控制末端的姿态[5]。通过各个关节之间的协调运动，它可以在其工作范围内任意移动。UR5机械臂实物图如图1所示。
　　2.2 模型简化
　　由于通用工业机械臂满足Pieper准则[6]，即后三个关节轴相交于一点，因此，前三个关节主要完成机械臂末端位置运动，且动力学参数值（转动惯量、质量等）较大，非线性效应比较明显;后三个关节主要完成机械臂末端位姿调整，动力学参数值较小。在误差允许范围内，考虑将六自由度机械臂模型简化为前三个自由度机械臂模型，并将后三个关节看作动力效应的外部干扰，对其进行动力学分析。实验表明，当只考虑机械臂前三个关节时其动力学特性与考虑全部六个关节相比不失一般性，且误差较小。这不仅减少了计算量，对于参数辨识来讲，减少了待辨识的参数，也使获得相对精确较高的动力学模型变得更加容易。简化模型如图2所示。

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