基于非完整约束的欠驱动机械手的结构设计与运动控制

摘要

非完整约束是指同时限制受控对象的空间位置和运动速度，但运动速度上的约束不能通过积分转化为空间位置上的约束，含有非完整约束的系统称为非完整系统。由于非完整系统的运动约束不可积性，可使其用较少的控制输入确定比控制输入维数多的位形空间内的运动，表现出欠驱动的特性。在机器人领域，具有非完整约束的机器人可以使用较少的电机驱动更多的关节，从而降低机器人的重量、能耗和成本等，因此非完整机器人在国防和工业上具有很高的应用价值，研究非完整机器人有很大的实际意义。
　　 本论文的主要工作和研究成果有：
　　 (1)基于具有非完整约束特性的摩擦圆盘传动机构构建了一种三关节机械手，对其非完整性和可控性进行了分析，建立了该非完整机械手的运动学模型。通过链式变换与逆变换，建立了该非完整机械手的运动控制方法。
　　 (2)在三关节非完整机械手基础上增加了具有三个自由度的执行手抓，从而构成一个六关节的机械手。基于刚体运动及旋量理论对六关节机械手进行运动学分析，建立机械手的运动学正解和运动学逆解的一般求解算法及具体步骤。
　　 (3)对六关节机械手每个关节的运动空间进行分析，建立了六关节机械手末端手抓的工作区间，并给出工作空间的网格图描述方法。
　　 (4)设定六关节机械手的运动过程，并利用得到的运动学方程求解方法解出各个位置所对应的角度值。在matlab中对三关节非完整机械手的运动控制方法进行仿真验证，并采用时间尺度变换方法对机械手运动过程进行优化。进一步对六关节机械手进行运动学仿真，得出六关节机械手末端手抓在整个运动过程中的运动轨迹，理论证明了六关节机械手运动控制的可行性。
　　 (5)搭建六关节机械手的运动实验平台，进行运动实验研究。用仿真中两电机的输入响应曲线控制两伺服电机的转动，用以控制前三个关节角的运动，用三个舵机分别控制执行手抓三个关节，完成机械手的搬运实验研究。采集非完整机械手三关节角实际输出响应，并与理论值进行比较，其运动结果基本上相同，证明了其运动控制的可行性。