冗余机械臂单关节故障下的建模与容错控制研究

摘要

冗余机械臂在奇异回避、故障回避等方面具有很多优点，因此应用广泛。然而，当其中一个关节发生故障并且被锁定时，7自由度冗余机械臂退化成为6自由度机械臂，极大程度地降低了机器人的工作性能。为确保故障情况下机械臂仍然能够完成给定的基本任务，本文研究冗余机械臂关节故障下的建模与容错控制。
　　针对一类非球腕冗余空间机械臂，分析了其在不同臂形、不同关节故障、以及不同故障位置下的容错性能指标。基于上述分析，可确定机械臂各关节故障下机械臂的操作性能，为机械臂的任务设计、轨迹规划、容错控制等提供依据。
　　位置级逆运动学是机械臂实现笛卡尔运动规划的关键。针对所研究的冗余机械臂的构型特征，建立了单关节故障下的通用D-H参数表，并提出了解析、半解析的逆运动学求解方法。当1、2、6、7中的一个关节发生故障并锁死时，正常关节所构成的6DOF机械臂中，有三个相邻关节轴相平行，满足具有封闭解的条件，推导了各关节求解的解析式。当3、4、5中的一个关节被锁死时，不满足具有封闭解的条件，提出了解析与数值相结合的方法。该方法通过“去偏置”构造虚拟的球腕/肩机械臂，其各关节采用解析法求解；再结合原机械臂与所构造机械臂的位姿关系，通过3DOF的数值迭代，得到原机械臂所有关节的解。
　　为实现单关节故障下的动力学控制与仿真研究，需要推导相应的动力学模型。论文推导了单关节故障下等效杆件的动力学参数表达式，并建立了系统的拉格朗日动力学方程。当发生单关节故障时，与故障关节相邻的两个连杆组合成新的连杆，该组合连杆的动力学参数是故障角度的函数，对任意关节故障下的组合连杆重新计算了其动力学参数。基于此动力学参数表达式，建立了单关节故障下的动力学模型，为实现单关节故障下的动力学控制与仿真研究，需要推导相应的动力学模型。论文推导了单关节故障下等效杆件的动力学参数表达式，并建立了系统的拉格朗日动力学方程，并通过Adams软件验证了其正确性。
　　基于前述的运动学和动力学基础，开展了单关节故障下的轨迹规划及容错控制方法研究。利用冗余机械臂的自运动特性，规划了机械臂单关节故障下的关节运动轨迹；利用关节动力学耦合特性，采用H∞控制方法，实现了对单关节故障下的机械臂的容错控制。
　　本文针对非球腕冗余机械臂在单关节故障下的运动学、动力学、轨迹规划及控制方法的研究，对于未来空间站机器人的研制和应用具有重要意义。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外相关领域研究现状综述

1.3 研究对象概述

1.4 本文主要研究内容

第2章 冗余机械臂容错性能分析

2.1 引言

2.2 冗余机器人逆运动学与优化算法

2.3 容错性能指标

2.4 空间冗余机械臂的容错性能指标

2.5 本章小结

第3章 冗余机械臂单关节故障下的运动学建模

3.1 引言

3.2 单关节故障后重建D-H参数

3.3 基于重建D-H参数表的运动学分析

3.4 单关节故障情况下实例分析

3.5 本章小结

第4章 冗余机械臂单关节故障下的动力学建模

4.1 引言

4.2 单关节故障下机械臂的动力学参数

4.3 冗余机械臂单关节故障下动力学模型

4.4 ADAMS动力学模型校验

4.5 本章小结

第5章 冗余机械臂单关节故障下的轨迹规划和容错控制

5.1 引言

5.2 自运动空间位置级轨迹规划

5.3 跟踪误差状态表达方程

5.4 基于H∞鲁棒控制器设计

5.5 MATLAB仿真实验结果分析

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其他成果

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