1、隨著工業(yè)機器人在機械加工、汽車制造、裝配和物流碼垛等自動化生產(chǎn)領域的廣泛應用，對機器人工作效率、響應速度、軌跡跟蹤精度和穩(wěn)定時間等動態(tài)性能提出越來越高的要求。為提高機器人動態(tài)性能，本文建立了碼垛機器人動力學模型；并以此為基礎分別從機器人驅(qū)動系統(tǒng)設計，基于線性化動力學模型機器人控制器設計和機器人抑制振動方法三個方面開展相關問題研究；此外基于工業(yè)計算機和高速通訊總線的機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設計等關鍵技術研究并進行了相應性能測試與實驗。
　

2、　本文首先建立了碼垛機器人運動學和剛體動力學模型。在剛體動力學方程基礎上，采用集中參數(shù)法同時考慮關節(jié)柔性和連桿柔性建立了機器人剛?cè)狁詈蟿恿W方程。根據(jù)機器人剛?cè)狁詈蟿恿W方程的特點，在求解逆動力學過程中將機器人運動學方程作為約束條件，將原有的非線性微分方程擴展為具有代數(shù)方程約束的微分代數(shù)方程。代數(shù)方程的引入提高了逆動力學求解的合理性和準確性，所求解狀態(tài)變量不僅滿足動力學方程而且符合機器人運動學約束。通過對代數(shù)方程約束進行微分并引入虛擬變

3、量，降低剛?cè)狁詈蟿恿W方程的微分指標進而降低了方程的求解難度。將微分代數(shù)方程求解問題轉(zhuǎn)化為非線性微分方程初值問題進行求解。
　　為設計機器人驅(qū)動系統(tǒng)，首先分析機器人驅(qū)動系統(tǒng)元件屬性對機器人整體性能的影響。根據(jù)機器人性能設計需求，建立以機器人工作效率和固有振動頻率為目標函數(shù)，以電機峰值和額定轉(zhuǎn)矩、減速器壽命以及負載自重比等指標為約束條件的優(yōu)化模型。為解決離散變量優(yōu)化問題，建立離散優(yōu)化變量與系統(tǒng)屬性特征之間的映射關系。通過動力學仿真結(jié)

4、果計算相應的性能指標和約束函數(shù)條件，并利用混合變量遺傳算法求解離散變量優(yōu)化問題。結(jié)果表明整個優(yōu)化模型和優(yōu)化方法可行，相應動態(tài)性能均得到有效的提升。
　　為抑制機器人振動，根據(jù)機器人振動形式，將機器人振動分為殘余振動和運動過程中振動兩種。首先，分析機器人在停止時刻的殘余振動特性，將其運動表述為自由振動狀態(tài)下的振動方程。根據(jù)模態(tài)分析理論得出振動方程時域響應表達式，將機器人殘余振動的主要因素歸結(jié)為運動停止時刻軌跡的位置和速度誤差。然后，

5、從控制系統(tǒng)角度將參考軌跡有可能引起機器人運動過程中振動的因素歸結(jié)為：起始點和終點軌跡的連續(xù)性以及軌跡自身頻率特性。根據(jù)上述分析，基于柔性關節(jié)動力學方程，構(gòu)造性能指標函數(shù)，將殘余振動抑制運動規(guī)劃問題視為泛函極值求解問題?；赑ontryagin最大值原理將泛函極值問題轉(zhuǎn)換為常微分方程組邊界值求解問題。為減小機器人運動過程中振動，在起始點和終止點速度，加速度邊界連續(xù)的條件下采用傅里葉級數(shù)對最優(yōu)計算得到的軌跡進行曲線擬合。在保證擬合精度的前提

6、下盡可能降低前饋轉(zhuǎn)矩包含的高頻諧波分量，減小激勵機器人自身固有頻率的可能。結(jié)果表明，提出的機器人振動抑制軌跡規(guī)劃策略可以有效降低機器人殘余振動幅度和時間，并減小運動過程中關節(jié)的柔性變形。
　　在基于線性化動力學模型的機器人控制器設計方面，首先分析柔性關節(jié)機器人動力學模型在整個工作空間的非線性特性，采用高階奇異值分解方法建立機器人凸多面體模型。通過數(shù)值計算和閉環(huán)仿真兩種方式驗證獲得的凸多面體模型能夠在工作空間內(nèi)準確地描述非線性的柔性

7、關節(jié)機器人非線性動力學特性?；诜答伨€性化控制器設計方法和最優(yōu)控制理論，通過求解凸多面體模型頂點對應Riccati方程組的公共正定解，將最優(yōu)控制問題轉(zhuǎn)化為線性矩陣不等式組求解問題，通過求解對應的線性矩陣不等式組得到最優(yōu)的變增益控制器。仿真結(jié)果表明，采用最優(yōu)變增益控制可以有效降低機器人柔性關節(jié)變形，提高軌跡跟蹤精度。
　　在碼垛機器人控制系統(tǒng)具體工程實現(xiàn)方面，首先對運動控制系統(tǒng)進行任務分解，基于運動控制狀態(tài)機編寫了機器人底層控制軟件