《机器人控制实验》Word文档

实验二自由度机器人的位置控制一、实验目的1.运用Matlab语言、Simulink及Robot工具箱，搭建二自由度机器人的几何模型、动力学模型，2.构建控制器的模型，通过调整控制器，对二自由度机器人的位姿进行控制，并达到较好控制效果。二、工具软件1.Matlab软件2.Simulink动态仿真环境3.robot工具箱模型可以和实际中一样，有自己的质量、质心、长度以及转动惯量等，但需要注意的是它所描述的模型是理想的模型，即质量均匀。这个工具箱还支持Simulink的功能，因此，可以根据需要建立流程图，这样就可以使仿真比较明了。把robot工具箱拷贝到MATLAB/toolbox文件夹后，打开matalb软件，点击file--setpath，在打开的对话框中选addwithsubfolders，选中添加MATLAB/toolbox/robot，保存。这是在matlab命令窗口键入roblocks就会弹出robot工具箱中的模块（如下图）。三、实验原理在本次仿真实验中，主要任务是实现对二自由度机器人的控制，那么首先就要创建二自由度机器人对象，​�����y0�x0�z0�q1�q2��​二自由度机器人坐标配置仿真参数如下表1：表1二连杆参数配置意义符号值单位杆1长l10.45m杆2长l20.55m杆1重心lc10.091m杆2重心lc20.105m杆1重量m123.90kg杆2重量m24.44kg杆1惯量I11.27kg.m2杆2惯量I20.24kg.m2重力加速度G9.8m/sec21.运动学模型构建二连杆的运动学模型，搭建twolink模型在MATLAB命令窗口下用函数drivebot(WJB)即可观察到该二连杆的动态位姿图。%文件名命名为自己名字的首字母_twolink%构造连杆一L{1}=link([00.45000],'standard');L{1}.m=23.9;L{1}.r=[0.09100];L{1}.I=[000000];L{1}.Jm=0;L{1}.G=1;%构造连杆二L{2}=link([00.55000],'standard');L{2}.m=4.44;L{2}.r=[0.10500];L{2}.I=[000000];L{2}.Jm=0;L{2}.G=1;%（机器人的名字请用自己名字的首字母如）WJB=robot(L);WJB.name='WJB_twolink';%设定二连杆名字qz=[00];qr=[0pi/2];2.二连杆动力学部分实现机器人内部动力学构建，根据拉格朗日法建立机器人动力学模型（见上P55）即下式：仍然用matlab下M函数来实现：%文件名命名为自己名字的首字母_dl%二连杆动力学部分functionqdd=WJB_dl(u)%自己名字的首字母q=u(1:2);qd=u(3:4);tau=u(5:6);g=9.8;m1=23.9;m2=4.44;l1=0.45;l2=0.55;lc1=0.091;lc2=0.105;I1=1.27;I2=0.24;M11=m1*lc1^2+m2*(l1^2+lc2^2+2*l1*lc2*cos(q(2)))+I1+I2;M12=m2*(lc2^2+l1*lc2*cos(q(2)))+I2;M21=m2*(lc2^2+l1*lc2*cos(q(2)))+I2;M22=m2*lc2^2+I2;M=[M11M12;M21M22];C11=-(m2*l1*lc2*sin(q(2)))*qd(2);C12=-m2*l1*lc2*sin(q(2))*(qd(1)+qd(2));C21=m2*l1*lc2*sin(q(2))*qd(1);C22=0;C=[C11C12;C21C22];G1=(m1*lc1+m2*l1)*g*sin(q(1))+m2*lc2*g*sin(q(1)+q(2));G2=m2*lc2*g*sin(q(1)+q(2));G=[G1;G2];qdd=inv(M)*(tau-G-C*qd)最后，还需将机器人动力学和几何学联系在一起。通过机器人学工具箱中的robot模块实现。3．控制器设计（任选一二）（1）简单PD控制率，结构图如下，此种没有加任何补偿，存在较大稳态误差，但是控制算法非常简单。（2）PD加重力补偿带有重力补偿的PD控制可设计成t=Kp(q期望值-q)-Kd*qd+G(q)重力项3.PD加前馈补偿控制加了一个逆动力学模块t=Kp(q期望值-q)+Kd*(q期望值一阶导-q一阶导)+M（q）*q二阶导+C*q一阶导+G（q）四、实验步骤1．运动学模型在matlab菜单file下新建一个M-file，将机器人运动学模型添加进去（注意更改自己的机器人命名,自己名字的首字母缩写_twolink），并将此M-file命名后保存在work文件夹下，备用。2．在matlab命令窗口调用函数drivebot（机器人名字—自己名字首字母的缩写，不加twolink），出现机器人的动态位姿图，调节q1、q2可直观的看出二自由度机器人的位姿在改变。3．动力学模型在matlab菜单file下再新建一个M-file，将机器人动力学学模型添加进去，并将此M-file命名后（自己名字首字母_mdl）保存在work文件夹下，备用。4，将机器人运动学模型和动力学模型联系起来在matlab命令窗口输入命令roblocks调出robot工具箱，再输入simulink调出SImulink动态仿真环境。5、在Matlab菜单file下新建一个model，将robot工具箱中的robot模块拖拽到model文件里，双击编辑机器人属性，将robotobject改为机器人的名字（自己名字首字母的缩写）（即运动学构建的机器人对象）。再选中robot模块，右键菜单找到lookundermask，点开，可以找到机器人内部动力学模型，将其中的S-Function替换成Simulink下面的Matlab—Function，双击此Matlab—Function弹出对话框，将其中的函数改为动力学模型文件名。6.添加控制器根据控制器设计的，在Simulink下找出构成控制系统的其他模块，其中综合点及matrixgain在mathoperations里；示波器scope和终止端terminator在输出池sinks里；常量constant在输入模块sources里；将各个模块拖拽到model文件里，可以通过鼠标拖住连线。7、动态仿真双击综合点，将其属性改成有一个减号，形成负反馈；常量constant给定你期望位姿（注意是二自由度机器人，需输入2*！的矩阵），初步给定KP、KD参数（2*2的矩阵）。在model文件菜单栏下面，点击一个箭头（startsimulation）或者在菜单栏点击Simulation，在下拉菜单中选择startsimulation，即可开始仿真，此时双击打开scope即可得到响应曲线。调整不同的Kp、KD即可得到不同的响应曲线，不同的控制效果。五、实验要求1、手动调节机器人的位姿，抓出机器人的动态位姿图。要求每人构建的机器人命名不能一样。2、要求搭建完整的仿真框图，调节不同的PD参数，比较响应曲线的优劣。至少给出两组PD参数对应的响应曲线。3、分析PD参数对控制系统的性能影响。（注：素材和资料部分来自网络，供参考。请预览后才下载，期待你的好评与关注！）