基于球型手腕的轨迹跟踪控制与柔顺控制研究

摘要

随着现代工业的发展，机器人开始逐步替代人类完成生产与生活中的各项实践活动。在航天、深海、核工业等领域中，作业环境具有危险性大、工作空间狭小等特征，不适合人类实地作业，因此需要高性能机器人代替人类。其中，机器人的腕部关节具有结构紧凑，重量轻，功重比大等特征，是极限工作环境中的重要部件。机器人手腕的功能是通过局部微小调整来改变机器人末端执行器的姿态，腕部的性能将直接影响机器人的定位精度和灵活性。
　　本文提出一种高集成解耦球型手腕，上、下半球偏置安装，传动链中采用内、外部双万向节传递运动，可以实现俯仰、侧摆和自转三个方向的自由度。对球型手腕作了运动学分析，建立了运动学数学模型，分析了手腕的运动解耦机理;得到雅克比矩阵，并利用雅克比矩阵分析了手腕运动空间的奇异位置。建立动力学数学模型，对进一步的运动控制打下基础。
　　为实现手腕的运动控制，设计了圆弧插补方式与直线插补方式两种轨迹规划模式。针对球型手腕的轨迹跟踪问题，设计了一种全局快速Terminal滑膜控制器，由Lyapunov函数对此控制器的稳定性做出了证明。对于控制系统中的不确定上界，采用RBF神经网络算法进行评估，有效的缩短了控制算法的收敛时间，消除了控制中存在的“抖颤”问题。在MATLAB软件中的Simulink环境下对轨迹跟踪控制算法进行了仿真分析，验证了算法的有效性。
　　针对球型手腕的柔顺控制问题，设计一种基于摩擦力补偿技术的柔顺控制方法。建立手腕摩擦力模型作为前馈补偿项，编写遗传算法辨识摩擦力模型中的各项参数。传感器测量手腕末端执行器所受的六维力，通过坐标变换、雅克比矩阵力变换，最终转换成电机的输出扭矩，实现执行器末端与外界交互力为零的控制目的，即实现“零力”跟踪。在MATLAB软件中的Simulink环境下对控制算法进行了仿真分析，验证了柔顺控制算法的有效性。
　　本文所提出的球型手腕运动平稳，轨迹跟踪效果好，柔顺控制模式极大的丰富了手腕的作业用途。该球型手腕在航天、康复机器人等领域中有很大的应用价值。