基于非完整约束的欠驱动机械手及其运动控制的研究

摘要

本文在中国科学院机器人学重点实验室的支持下，为探索和研究非完整系统理论与非线性控制原理的融合方式，以建立非完整欠驱动机械手及其运动控制方法为目标，进行了大量的调研和研究工作，并在已有非完整控制系统研究成果和全面分析国内外非完整机器人系统研究现状的基础上，对非完整机械手及其关键技术进行了深入地研究和开发。　　本文利用建立的可控非完整运动传递机构与非完整运动规划原理的结合，提出了二种新型可控的非完整欠驱动机械手——开链式非完整机械手和并链式非完整机械手，并给出了这二种机械手的理论设计，分析研究了它们的非完整性、运动特性，证明了在输入控制数小于其位形空间维数的情况下的运动可控性，并给出了将其转换为链式系统的条件和方法。　　基于链式系统的时间多项式输入控制和三角函数输入控制的方法，给出了非完整机械手的运动规划算法，并分析研究了基于这二种输入控制作用下的运动特性，揭示了开链式非完整机械手和并联式非完整机械手的控制特点和运动的不同性质。　　设计制作了开链式非完整机械手的实验装置，采用UMAC运动控制系统进行了实验研究，校验了非完整运动传递机构的运动传递可行性和有效性以及开链式非完整机械手的运动可行性和控制的有效性，实现了开链式非完整机械手的位形控制。　　本学位论文的研究工作，为开发航空航天机器人、特殊环境下作业的机器人和医疗机器人等提供了可以借鉴的理论和实践经验，有助于推动机器人技术的迅速发展。

目录

文摘

英文文摘

独创性说明和关于论文使用授权的说明

第1章绪论

1.1非完整机器人及其相关问题

1.2非完整机器人的研究综述

1.2.1非完整机器人特性的研究综述

1.2.2非完整运动规划与控制的研究综述

1.2.3新型非湾镇机器人的研究综述

1.3本文的主要研究内容及其目的和意义

1.4本文的结构及概述

第2章非完整系统的基本特性与控制

2.1非完整约束与非完整系统

2.2非完整约束的特征

2.2.1运动约束

2.2.2动力学约束

2.3约束的可积性

2.4非完整系统的可控性

2.5非完整控制系统与链式变换

2.5.1非完整系统的控制

2.5.2链式变换

2.5.3链式变换的特性

2.6本章小结

第3章新型非完整运动传递机构模型与特性

3.1非完整运动传递机构的结构模型

3.2非完整运动传递机构的运动模型及其特性

3.2.1非完整运动传递机构的运动模型

3.2.2非完整运动传递机构的主要特性

3.3机构运动的计算机辅助分析

3.3.1圆盘运动为机构运动传递的输入

3.3.2转盘运动为机构运动传递的输入

3.4本章小结

第4章非完整机械手的理论设计及其特性研究

4.1可控非完整机械系统的设计方法

4.2开链式非完整机械手的理论设计

4.2.1机械手的关节结构

4.2.2开链式非完整机械手的结构

4.3开链式非完整机械手的运动学模型

4.4开链式非完整机械手的可控性分析

4.5开链式非完整机械手系统的链式变换

4.6并链式非完整机械手的设计与特性分析

4.6.1能量主传递链的设计

4.6.2并链式非完整机械手的设计

4.6.3并链式非完整机械手的特性分析

4.6.4并链式非完整机械手的链式变换

4.7本章小结

第5章非完整机械手的运动规划与仿真分析

5.1非完整链式系统的运动控制

5.1.1链式系统的时间多项式输入控制

5.1.2链式系统的三角函数输入控制

5.2非完整机械手的运动规划方法

5.3非完整机械手的时间多项式输入控制与仿真

5.3.1开链式非完整机械手的时间多项式输入控制

5.3.2并链式非完整机械手的时间多项式输入控制

5.4非完整机械手的三角函数输入控制与仿真

5.4.1开链式非完整机械手的三角函数输入控制

5.4.2并链式非完整机械手的三角函数输入控制

5.5本章小结

第6章非完整机械手的设计与实验研究

6.1非完整多关节机械手的设计

6.1.1设计中的主要问题

6.1.2非完整运动传递机构的设计制作

6.1.3非完整多关节机械手的设计制作

6.2圆盘与转盘接触的分析与计算

6.3开链式非完整多关节机械手的实验研究

6.3.1实验控制系统

6.3.2非完整运动传递机构的实验研究

6.3.3开链式非完整机械手的实验研究

6.4本章小结

第7章结论与展望

7.1结论

7.2研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的相关论文和专利

致谢