一类欠驱动四关节机械臂及其运动控制研究

摘要

随着机器人技术迅速地发展和广泛地应用，对欠驱动机器人系统的研究也备受关注，欠驱动机器人是指系统的独立控制输入维数少于其自由度数目的机器人，能够用较少的驱动装置完成复杂的工作。然而欠驱动系统往往存在强耦合、非线性等特点，不能实现输入——状态线性化，也不能采用光滑非线性反馈来实现其渐进稳定，这无疑增加了其运动控制难度。为深入地探讨欠驱动系统的运动控制问题，本论文采用欠驱动机器人本体结构设计与控制理论相结合的思想，提出一种新型四关节欠驱动机械臂，通过理论推演、仿真分析和实验测试相结合的手段，分析该机械臂的运动特性，研究其运动规划方法。 在机械臂的各个关节处设置一组摩擦圆盘运动分解机构来带动下一个关节的运动，该运动传递机构能够通过改变圆盘与转盘的相对位形来实现运动传动比的连续控制，且其传动比变化遵循三角函数的关系。通过对欠驱动机械臂运动特性的分析，证明了系统具有可控性和非完整性，并推导出其具有三角数学结构的运动学模型，将该运动模型经坐标变换转换成链式系统，从空间笛卡尔积变化的角度研究了坐标变换的非线性映射关系。基于牛顿迭代法，在链式空间中求解时间多项式输入控制法的待定系数，进行欠驱动机械臂的运动规划仿真，得到满足约束条件的各个关节运动轨迹以及输入控制量，针对由反三角函数解不存在而引起的奇异性，提出了在奇异部分增加约束位形的奇异规避方法。 在前面理论推演和仿真分析的基础上设计制造了四关节欠驱动机械臂的实验装置。该欠驱动机械臂采用两个伺服电机作为控制输入，通过UMAC运动控制器对伺服电机进行运动控制，由角度传感器测量各个关节的角位移变化。最终实验结果与仿真计算值基本相吻合，验证了欠驱动机械臂的运动传递可行性以及运动规划方法的有效性，实现了非完整系统的位形控制。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容及结构安排

第2章 并联驱动式机械臂的结构及其运动模型

2.1 机械臂运动传递单元和特性

2.2 并联驱动式机械臂结构

2.3 结构性能的影响因素分析

2.4 机械臂的基本特性

2.5 本章小结

第3章 欠驱动四关节机械臂的非线性坐标变换

3.1 位形变量的笛卡尔积变换特性

3.2 雅克比矩阵

3.3 链式变量在关节变量方向上的畸变性分析

3.4 本章小结

第4章 并联驱动式机械臂的运动规划和仿真分析

4.1 机械臂运动规划策略

4.2 时间多项式输入控制的牛顿迭代算法

4.3 基于牛顿迭代法的机械臂运动规划与控制

4.4 运动规划与控制的仿真分析

4.5 空间变换的奇异性

4.6 本章小结

第5章 机械臂运动控制的实验研究

5.1 并联驱动式四关节机械臂实验平台

5.2 运动控制实验测试

5.3 测试数据分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录A 攻读硕士研究生期间发表的论文