欠驱动多关节机械臂的运动奇异性与控制
发布时间：2021-07-02 07:15
欠驱动系统指独立控制输入小于其自由度数目的系统,对于欠驱动机械臂而言,则是指机械臂中存在没有安装驱动器的关节。欠驱动系统由于驱动器数量的减少,具有重量轻、成本低、能耗低等众多优点,应用前景十分广阔。非完整约束机构具有欠驱动特性,很多欠驱动系统本质上是非完整系统。非完整系统具有运动耦合性,系统呈现一些复杂的特性,如不能采用光滑非线性反馈来实现渐进稳定,不能实现输入-状态线性化,这些特点使得非完整系统的控制问题成为当今控制领域最具挑战性的难题之一。本论文以一种具有非完整特性的欠驱动多关节机械臂为研究对象,对其进行运动控制以及相关实验研究。欠驱动多关节机械臂以一种非完整机构为基本运动传递单元,结合运动学模型分析了机械臂的可控性和链式变换方法。基于机械臂的链式模型,提出了一种运动规划方法。在链式系统中采用时间多项式作为控制输入,通过求解以机械臂边界条件建立的约束方程组可以得到链式系统的控制输入,进而求得链式空间中状态变量的运动轨迹,经过链式逆变换即可以得到机械臂关节运动轨迹。根据机械臂的结构特征分析了机械臂的冗余特性,建立了线性评价函数,通过这一函数对机械臂逆运动学解进行优化,以达到规避奇异位...
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Acrobot机构
于非完整约束的欠驱动机械臂研究现状轮式移动机器人、空间机器人、多指灵巧手等非完整系统在工程中非完整系统也成为学者研究的热点之一[4-5]。很多学者基于非完整具有欠驱动特性的机械臂。动机械臂系统中最典型的是 Acrobot 机构[6]和 Pendubot 机构[7]。这是两连杆机械臂，区别在于它们驱动关节的位置不同。Acrobot 机是第二个关节，而 Pendubot 机构的主动关节是第一个关节。针对机械臂，学者们对欠驱动系统的控制问题进行了研究。张冰等人对 Pendubot 的控制方法进行了优化，采用部分反馈线性化的方法设种方法大大缩短了系统从开始到进入平衡状态的时间[8]。Shubh人针对机械臂 Pendubot 提出了一种块反演控制方法，以确保整个系点处全局渐进稳定[9]。Spong 对 Acrobot 机器人进行了大量的研究馈线性化方法实现了Acrobot从向下的稳定平衡点摇起运动至竖直平衡点[10-12]。
图 1-3 摩擦球运动分解合成机构 图 1-4 欠驱动机械臂国内学者谭跃刚教授受摩擦球机构的启发，提出了一种非完整的摩擦盘运动分结合成机构[15]，如图 1-5，并以这种机构作为基础单元设计了一种三关节欠驱动机械臂，如图 1-6。中村仁彦教授设计的摩擦球运动分解合成机构中固定球体位置比较复杂，容易引入传动误差，摩擦盘机构克服了这一缺点。其中摩擦轮是输入轮，绕自身轴线 X2转动时可以通过摩擦力驱动输出转盘转动，同时摩擦轮可以绕轴线 Z2转动，这种转动会改变摩擦轮和转盘的传动比。摩擦轮固定在机械臂的前一个关节上，而转盘则固定在机械臂的后一个关节上。
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向非连续性地面的双足欠驱动步行稳定控制[J]. 姚渊,姚道金,肖晓晖,王杨. 机器人. 2017(05)
[2]无根欠驱动冗余机器人动力耦合特性研究[J]. 李娜,赵铁石,姜海勇,王家忠. 机械工程学报. 2016(09)
[3]平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制[J]. 余跃庆,梁浩,张卓. 机械工程学报. 2015(13)
[4]基于蒙特卡洛法的七自由度拟人机械臂工作空间分析[J]. 何价来,罗金良,宦朋松,邓健. 组合机床与自动化加工技术. 2015(03)
[5]生物检测机器人操作臂工作空间分析与尺度优化[J]. 刘亚军,徐新喜,黄田. 机械工程学报. 2015(03)
[6]基于时间缩放轨迹规划的水平3R欠驱动机械臂的滑模控制[J]. 陈杨锴,陈炜,赵新华. 天津理工大学学报. 2014(03)
[7]欠驱动式移动机器人构型综合[J]. 谢铮,张新华. 机械研究与应用. 2014(01)
[8]移动机器人神经网络自适应控制[J]. 刘钰,陆剑锋,何云红,季伟. 哈尔滨理工大学学报. 2012(06)
[9]基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J]. 李保丰,孙汉旭,贾庆轩,陈钢. 航天器工程. 2011(04)
[10]PMAC运动控制器的PVT运动模式的分析及应用[J]. 迟文升,唐书娟. 机械制造. 2009(07)
博士论文
[1]非完整系统若干控制问题的研究[D]. 李胜.南京理工大学 2005
[2]基于非完整约束的欠驱动机械手及其运动控制的研究[D]. 谭跃刚.武汉理工大学 2005
硕士论文
[1]一类欠驱动四关节机械臂及其运动控制研究[D]. 冷丽姣.武汉理工大学 2017
[2]基于粒子群优化算法的球形机器人运动规划[D]. 张洁.西安电子科技大学 2008
[3]目标运动模拟系统扩展功能开发及PMAC运动模式的分析研究[D]. 肖玮.西安电子科技大学 2006
本文编号：3260014
【文章来源】：武汉理工大学湖北省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：67 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
Acrobot机构
于非完整约束的欠驱动机械臂研究现状轮式移动机器人、空间机器人、多指灵巧手等非完整系统在工程中非完整系统也成为学者研究的热点之一[4-5]。很多学者基于非完整具有欠驱动特性的机械臂。动机械臂系统中最典型的是 Acrobot 机构[6]和 Pendubot 机构[7]。这是两连杆机械臂，区别在于它们驱动关节的位置不同。Acrobot 机是第二个关节，而 Pendubot 机构的主动关节是第一个关节。针对机械臂，学者们对欠驱动系统的控制问题进行了研究。张冰等人对 Pendubot 的控制方法进行了优化，采用部分反馈线性化的方法设种方法大大缩短了系统从开始到进入平衡状态的时间[8]。Shubh人针对机械臂 Pendubot 提出了一种块反演控制方法，以确保整个系点处全局渐进稳定[9]。Spong 对 Acrobot 机器人进行了大量的研究馈线性化方法实现了Acrobot从向下的稳定平衡点摇起运动至竖直平衡点[10-12]。
图 1-3 摩擦球运动分解合成机构 图 1-4 欠驱动机械臂国内学者谭跃刚教授受摩擦球机构的启发，提出了一种非完整的摩擦盘运动分结合成机构[15]，如图 1-5，并以这种机构作为基础单元设计了一种三关节欠驱动机械臂，如图 1-6。中村仁彦教授设计的摩擦球运动分解合成机构中固定球体位置比较复杂，容易引入传动误差，摩擦盘机构克服了这一缺点。其中摩擦轮是输入轮，绕自身轴线 X2转动时可以通过摩擦力驱动输出转盘转动，同时摩擦轮可以绕轴线 Z2转动，这种转动会改变摩擦轮和转盘的传动比。摩擦轮固定在机械臂的前一个关节上，而转盘则固定在机械臂的后一个关节上。
【参考文献】：
期刊论文
[1]面向非连续性地面的双足欠驱动步行稳定控制[J]. 姚渊,姚道金,肖晓晖,王杨. 机器人. 2017(05)
[2]无根欠驱动冗余机器人动力耦合特性研究[J]. 李娜,赵铁石,姜海勇,王家忠. 机械工程学报. 2016(09)
[3]平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制[J]. 余跃庆,梁浩,张卓. 机械工程学报. 2015(13)
[4]基于蒙特卡洛法的七自由度拟人机械臂工作空间分析[J]. 何价来,罗金良,宦朋松,邓健. 组合机床与自动化加工技术. 2015(03)
[5]生物检测机器人操作臂工作空间分析与尺度优化[J]. 刘亚军,徐新喜,黄田. 机械工程学报. 2015(03)
[6]基于时间缩放轨迹规划的水平3R欠驱动机械臂的滑模控制[J]. 陈杨锴,陈炜,赵新华. 天津理工大学学报. 2014(03)
[7]欠驱动式移动机器人构型综合[J]. 谢铮,张新华. 机械研究与应用. 2014(01)
[8]移动机器人神经网络自适应控制[J]. 刘钰,陆剑锋,何云红,季伟. 哈尔滨理工大学学报. 2012(06)
[9]基于蒙特卡洛法的空间机器人工作空间计算[J]. 李保丰,孙汉旭,贾庆轩,陈钢. 航天器工程. 2011(04)
[10]PMAC运动控制器的PVT运动模式的分析及应用[J]. 迟文升,唐书娟. 机械制造. 2009(07)
博士论文
[1]非完整系统若干控制问题的研究[D]. 李胜.南京理工大学 2005
[2]基于非完整约束的欠驱动机械手及其运动控制的研究[D]. 谭跃刚.武汉理工大学 2005
硕士论文
[1]一类欠驱动四关节机械臂及其运动控制研究[D]. 冷丽姣.武汉理工大学 2017
[2]基于粒子群优化算法的球形机器人运动规划[D]. 张洁.西安电子科技大学 2008
[3]目标运动模拟系统扩展功能开发及PMAC运动模式的分析研究[D]. 肖玮.西安电子科技大学 2006
本文编号：3260014
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