救援机器人冗余液压机械臂运动学分析及轨迹跟踪控制方法研究

发布时间：2022-10-29 20:30

　　地震等自然灾害给人民生命财产安全造成巨大损失,研究高效救援装备、突破共性关键技术,是发展应急救援产业的重要基础。本文以自主设计开发的七自由度液压机械臂为基础,开展运动学分析和关节空间内轨迹跟踪控制两方面的研究,可进一步提高救援机器人的自动化水平,提高冗余自由度液压机械臂的轨迹跟踪控制精度。首先,根据救援机器人现场功能要求开发机械臂平台,参考人体手臂设计了一种新型RRRPRPRPRPRYRR构型的七自由度机械臂结构,采用液压驱动方式提供动力。基于xPC Target平台开发冗余液压机械臂实时控制系统。其次,对冗余液压机械臂进行正运动学分析,使用蒙特卡罗法获取机械臂的工作空间,采用微分变换法求解机械臂的雅克比矩阵。针对机械臂冗余特性对逆运动学求解带来的问题,提出一种基于加权最小范数法和闭环的求解算法。此方法通过设置新型阻尼系数计算公式,提高雅克比矩阵求解稳定性,避免出现奇异形态。通过添加目标优化函数,避免出现超出关节极限位置的情况。基于闭环求解思路对算法进行优化,提高逆运动学求解精度。然后,针对具有强非线性和较多不确定性因素的液压机械臂关节空间轨迹跟踪问题,建立动力学简化模型,提出一种基于... 

【文章页数】：135 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
Abstract
主要符号说明
第一章 绪论
    1.1 研究背景
    1.2 救援机器人国内外研究现状
        1.2.1 国外研究现状
        1.2.2 国内研究现状
        1.2.3 本文拟研究的关键技术及意义
    1.3 拟研究关键技术的研究现状
        1.3.1 冗余机械臂逆运动学求解的研究现状
        1.3.2 液压驱动机械臂运动控制的研究现状
    1.4 研究难点
    1.5 本文研究目标与研究内容
        1.5.1 研究目标
        1.5.2 研究内容
第二章 冗余液压机械臂平台的开发
    2.1 冗余液压机械臂的应用平台
    2.2 冗余液压机械臂结构设计
        2.2.1 设计需求分析
        2.2.2 机械结构设计
    2.3 冗余液压机械臂液压系统开发
    2.4 冗余液压机械臂电控系统开发
        2.4.1 电控系统方案设计
        2.4.2 硬件选型及开发
    2.5 本章小结
第三章 冗余液压机械臂运动学分析
    3.1 冗余液压机械臂正运动学分析
    3.2 工作空间分析
    3.3 雅克比矩阵求解
    3.4 冗余液压机械臂逆运动学求解
        3.4.1 逆运动学求解研究目标
        3.4.2 传统逆运动学求解方法及其局限性
        3.4.3 冗余机械臂逆运动学求解方法的提出
        3.4.4 基于闭环的逆运动学求解方法优化
        3.4.5 逆运动学求解仿真研究
    3.5 本章小结
第四章 基于时延估计的液压机械臂关节空间轨迹跟踪控制研究
    4.1 液压机械臂轨迹跟踪控制研究目标
    4.2 冗余液压机械臂系统动力学简化模型
        4.2.1 动力学建模分析
        4.2.2 机械结构动力学简化模型
        4.2.3 电液比例系统动力学简化模型
        4.2.4 整体动力学简化模型
    4.3 基于TDE的自适应模糊控制方法
        4.3.1 基于TDE控制方法的研究及不足
        4.3.2 基于TDE的自适应模糊控制方法架构
        4.3.3 模糊模块
        4.3.4 自适应模块
        4.3.5 稳定性分析
        4.3.6 补偿器设计
    4.4 基于MATLAB和ADAMS的联合仿真研究
        4.4.1 仿真设置
        4.4.2 仿真结果及分析
    4.5 实验研究
        4.5.1 实验设置
        4.5.2 实验结果
        4.5.3 实验分析及结论
    4.6 本章小结
第五章 冗余液压机械臂末端轨迹跟踪控制研究
    5.1 末端轨迹跟踪控制基本原理
    5.2 末端期望轨迹跟踪实验
        5.2.1 实验设置
        5.2.2 空间直线轨迹跟踪结果
        5.2.3 空间曲线轨迹跟踪结果
        5.2.4 结果分析及结论
    5.3 本章小结
第六章 总结与展望
    6.1 总结
    6.2 创新点
    6.3 研究展望
参考文献
攻读博士学位期间取得的科研成果及奖励
致谢
学位论文评阅及答辩情况表


【参考文献】：
期刊论文
[1]曰本研发新型救援机器人[J]. 叶森森.  工程机械. 2017(07)
[2]危险环境下救援机器人技术发展现状与趋势[J]. 葛世荣,朱华.  煤炭科学技术. 2017(05)
[3]地震救援双臂机器人结构设计与运动学分析[J]. 寇彦芸,万熠,赵修林,魏盼盼.  机械设计与制造. 2016(10)
[4]Time delay control of hydraulic manipulators with continuous nonsingular terminal sliding mode[J]. 王尧尧,陈家旺,顾临怡,李晓东.  Journal of Central South University. 2015(12)
[5]群策群力 协同推进 加快发展我国应急产业[J]. 冯飞.  中国应急管理. 2015(11)
[6]救援机器人技术综述[J]. 于振中,蔡楷倜,刘伟,郑为凑.  江南大学学报(自然科学版). 2015(04)
[7]基于蒙特卡罗方法的双臂机器人工作空间分析[J]. 周律,周昱明,汪亮,朱金龙.  机械传动. 2014(06)
[8]基于灵敏度分析的数控机床床身尺寸优化设计[J]. 邢晓辉,王洪川,王贵飞,丛明,孟国兴.  组合机床与自动化加工技术. 2013(11)
[9]从汶川地震到芦山地震[J]. 陈运泰,杨智娴,张勇,刘超.  中国科学:地球科学. 2013(06)
[10]Position Control of Electro-hydraulic Actuator System Using Fuzzy Logic Controller Optimized by Particle Swarm Optimization[J]. Daniel M. Wonohadidjojo,Ganesh Kothapalli,Mohammed Y. Hassan.  International Journal of Automation and Computing. 2013(03)

博士论文
[1]自治水下运载器—机械手系统协调控制研究[D]. 王尧尧.浙江大学 2016
[2]混凝土泵车灵巧机械臂运动控制系统关键技术研究及应用[D]. 吴智勇.国防科学技术大学 2014

硕士论文
[1]基于机器视觉的自主式救援机器人的研究[D]. 周鹏程.东南大学 2016
[2]双臂救援机器人液压系统设计与研究[D]. 范东.浙江大学 2014
[3]喷涂机器人逆运动学求解算法与仿真软件[D]. 杨震.华中科技大学 2013
[4]类蛇形多关节搜救救援机器人研究[D]. 赵华鹤.哈尔滨工程大学 2013



本文编号：3698371