气动连续型机械臂控制系统设计与实现

发布时间：2020-04-02 07:27

【摘要】：连续型机械臂拥有刚性机械臂无法比拟的柔顺性,在许多领域内发挥着越来越重要的作用,但与此同时,连续型机械臂的控制问题成为其相关技术研究的重点和难点。本文主要围绕采用气动柔性驱动器的气动连续型机械臂,进行合理的结构及系统设计,并搭建实验平台;进一步地,针对强非线性控制问题,考虑基于数据驱动的方法,开展气动连续型机械臂的无模型控制策略研究。首先,针对气动连续型机械臂的柔顺抓捕任务需求,分析连续体生物的仿生机理,并依据肌肉性静水骨骼原理确定机械臂的动作方式、执行机构的种类与装配位置;其次,在确定所用气动柔性驱动器的合理布局之后对其工作原理及内部结构进行分析并确定参数;在完成气管与电气布线之后可使气动连续型机械臂达成灵活弯曲运动的目的。最终,在完成气动连续型机械臂的总体布局之后,针对机械臂动作快速性与稳定性的要求,分析气动系统与控制系统的组成与工作原理,对气动元件和控制元器件进行合理选型,完成硬件实验平台系统的设计与搭建工作。在建立合理的框架结构的基础上,考虑较为精确的气动柔性驱动器模型,对单气路通道进行控制,通过数值仿真验证系统设计的合理性并为控制系统实现提供思路。进一步地,针对含有多气路通道的气动连续型机械臂超冗余自由度的问题,需要设计合理的运动学模型表达关节空间与任务空间映射关系;针对气动连续型机械臂在处于竖直状态下的齐次转移矩阵奇异问题,根据模式形状函数建立模态运动学。针对连续型机械臂动力学模型中含有复杂项的积分表达式所导致的计算量过大问题,采用了基于递归计算的方法简化动力学模型表达式以提高计算效率。针对系统模型存在不确定性、同时伴有强非线性问题,为了能够对气动连续型机械臂进行更好地形状控制,主要设计了无模型自适应滑模控制器(Model-free adaptive sliding mode controller,MFASMC);首先针对拉格朗日型动力学模型,根据广义Lipschitz条件对该模型进行全格式(同时考虑I/O变化量)动态线性化,其次,考虑相应的准则函数,得到无模型自适应控制器(Model-free adaptive controller,MFAC),并依据修正的投影算法估计其中未知的伪偏导数矩阵,再次,为加快误差的收敛速度,设计滑模控制器(Sliding mode controller,SMC)共同作用于被控对象,通过数值仿真观察控制算法的效果,并与PD控制进行对比,最终通过硬件实验平台完成柔顺抓捕任务,验证控制策略的有效性。
【图文】：

d) OctArmIV e) OctArmV f) OctArmVI图 1-1 Clemson 大学 Walker 团队连续型机器人[11-16] Istituto Italiano di Tecnologia 大学的 Kang 教授研制了模块气动肌肉驱动器作为执行机构，共含有 6 段，，总长为 670m策略采用分级控制将原型机的期望动作与各驱动器的输入

图 1-2 IIT 大学 Kang 教授连续型机械臂[17动化公司于2010年研制了仿象鼻人机A)[18]，如图 1-3 所示，总长度为 750由 3D 打印技术制成，材料为聚酰胺置在工厂环境中，其灵活性与安全
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP241

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本文编号：2611648