球型腕奇异分析与双重工作模式控制策略研究

摘要

传统工业机器人在工厂等结构化环境中作业时，很少考虑到机器人与接触环境之间的交互作用。随着机器人工作环境逐步的开放，与环境中的设备、工具等操作对象进行接触作业时常会发生干涉、碰撞等情况，因此机器人与环境交互作业的适应性与安全性研究已经成为趋势。机械手腕作为机械臂的重要组成部件，其作用是通过腕关节微小的调整来改变机械臂末端的姿态，腕关节性能的好坏与机械臂整体的定位精度和运动灵活性息息相关。针对目前机械手腕结构复杂、集成度低、运动耦合、抗干扰和柔顺性能差等问题，提出一种三自由度高集成解耦球型手腕机构及其双重工作模式控制策略。
　　在机械结构上，球型腕采用双半球和双万向节的解耦结构保证腕关节的紧凑性与灵活性。分析运动传递关系与运动解耦机理，推导正、逆运动学方程及雅克比矩阵，得到作业空间与关节空间的运动传递关系。推导动力学方程及静力等效变换关系，为后续手腕控制系统设计打下基础。
　　采用基于雅克比矩阵的全域可操作性能评价了球型手腕对力和运动的全局转换能力，以此为目标函数，对手腕的结构参数进行了优化，得到了最优的偏置斜面倾斜角。利用可操作性能指标对球型手腕奇异位形进行了分析，针对球型手腕内部固有的奇异点，根据双重工作模式的任务特点，分别提出主动模式无奇异轨迹规划和被动模式自适应奇异参数的处理方法，对球型腕工作空间内部奇异点进行了有效地避让。
　　球型腕双重工作模式控制策略包括基于非线性Terminal滑模面轨迹跟踪控制的主动模式和基于摩擦模型的前馈力矩补偿柔顺控制的被动模式。在主动模式下，球型腕能够快速、准确地跟踪预定轨迹，对不确定性扰动不敏感，实现了精确的姿态定位;在被动模式下，基于模型的摩擦补偿使手腕摆脱阻力自由运动，通过六维力/力矩传感器测出末端与环境交互力形成闭合控制回路，实现了手腕与交互力随动的柔顺控制。
　　最后，搭建了Simulink环境仿真平台与球型手腕运动轨迹控制及位姿检测平台，通过仿真与试验分别验证了球型手腕双重工作模式控制策略的有效性。形成了集轻型灵巧化结构、精确轨迹跟踪定位控制、基于摩擦模型力矩补偿的柔顺控制为一体的球型腕模块化设计方法与控制理论，对提高机器人在非结构环境中作业的适应性与安全性具有一定的应用价值。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 机械手腕研究现状

1．2 机器人控制技术研究现状

1．3 研究意义和主要研究内容

2 球型手腕机械结构与理论分析

2．1 机械结构

2．2 运动学分析

2．2．1 工作空间分析

2．2．2 正、逆运动学方程

2．2．3 雅克比矩阵

2．3 动力学分析

2．3．1 动力学建模

2．3．2 静力等效变换

2．4 小结

3 球型腕全域可操作性能优化和奇异位形分析与处理

3．1 基于雅克比矩阵的球型腕全域可操作性能

3．2 基于全域可操作性能指标的结构参数优化

3．3 奇异点分析与处理

3．3．1 奇异位形分析

3．3．2 主动模式无奇异轨迹规划

3．3．3 被动模式奇异参数自适应控制

3．3．4 仿真

3．4 小结

4 球型手腕双重工作模式控制策略

4．1 主动模式轨迹跟踪控制

4．1．1 滑模变结构控制基本定义

4．1．2 球型腕Terminal滑模控制器

4．1．3 球型腕RBF神经网络控制器

4．1．4 主动模式轨迹跟踪控制仿真与试验

4．2 被动模式全柔顺控制

4．2．1 基于摩擦模型的前馈力矩补偿柔顺控制

4．2．2 被动模式柔顺控制仿真

4．3 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢