柔性关节多机械臂协同位置/力控制方法研究

摘要

机械臂位置/力控制问题一直受到国内外学者广泛关注，如何得到高精度的位置/力跟踪效果是该领域的研究热点。本文以柔性关节机械臂为例，针对单机械臂和多机械臂模型，考虑末端受限，模型未知，外界干扰，时间滞后，滞环输入等影响，提出基于改进线性滑模的自适应控制方案，并通过仿真对比验证所提出方案的可行性。 针对柔性关节机械臂系统，分别建立了受限单机械臂，未受限多机械臂，受限多机械臂的动力学模型，并利用坐标转换对其进行模型简化，降维处理，最终得出位置和力解耦后的机械臂动力学方程。 针对受限柔性关节单机械臂位置/力跟踪问题，首先提出了一种传统的自适应控制策略，保证系统李雅普诺夫稳定。进而，针对齿轮间隙产生的系统时滞问题，利用Taylor展开得到其一阶近似模型；然后，针对传统控制器无法保证约束力误差渐近收敛的问题，提出了一种改进的鲁棒自适应控制策略，与传统方法相比，该方法在补偿模型参数不确定，系统时滞和柔性关节影响的同时，能够使得位置误差和约束力误差同时渐近收敛，提高系统状态的跟踪精度。 针对柔性关节多机械臂协同控制问题，首先考虑简化后的动力学模型，提出了一种传统的自适应控制策略，保证位置误差渐近收敛，内力误差有界。然后针对系统时滞问题，利用Pade近似理论，将其近似为二阶有理分式的形式；针对物体内力误差的渐近收敛问题，考虑模型参数不确定，提出了一种改进的神经网络自适应策略，通过理论分析证明所提出的控制方案能够有效地补偿系统时滞和柔性关节的影响，并与传统控制方法相比，该方法能够保证位置误差和内力误差同时渐近收敛。 针对柔性关节受限多机械臂位置/力控制问题，首先基于降维后的动力学模型，提出了一种自适应控制策略，保证系统位置误差渐近收敛，约束力误差和内力误差有界。然后，针对系统滞环输入特性问题，采用一阶微分方程得到其近似模型；考虑参数不确定和上界未知的外界干扰因素，针对物体约束力误差的渐近收敛问题，提出了一种改进的鲁棒自适应控制策略，通过李雅普诺夫稳定性理论证明所设计的方案能够补偿系统滞环输入和外界干扰的影响，与传统方法相比，该方法能够保证系统位置误差，约束力误差渐近收敛，同时内力误差有界。 最后通过仿真对比，验证上述结论的有效性。

目录

声明

第1章 引言

1.1 课题背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 机械臂发展概述

1.2.2 单机械臂位置/力控制发展概述

1.2.3 多机械臂位置/力控制发展概述

1.2.4 柔性关节机械臂发展概述

1.3 论文的主要研究内容

第2章 预备知识

2.1 数学理论基本概念

2.2 控制理论基本概念

2.3 本章小结

第3章 柔性关节机械臂系统动力学建模

3.1 带有时滞的柔性关节单机械臂动力学模型

3.1.1 刚性单机械臂动力学模型

3.1.2 系统时滞和柔性关节模型

3.1.3 模型降维及简化

3.1.4 时滞柔性关节单机械臂仿真模型及参数

3.2 带有时滞的柔性关节多机械臂系统动力学模型

3.2.1 协同多机械臂动力学建模

3.2.2 协同多机械臂系统仿真模型及参数

3.3 带有滞环的柔性关节受限多机械臂动力学模型

3.3.1 受限协同多机械臂系统整体动力学建模

3.3.2 模型降维及简化

3.4 本章小结

第4章 时滞柔性关节单机械臂位置/力控制

4.1 问题描述

4.2 柔性关节自适应控制器设计

4.3 时滞柔性关节鲁棒自适应控制器设计

4.4 仿真分析

4.4.1 柔性关节自适应控制器仿真分析

4.4.2 时滞柔性关节鲁棒自适应控制器仿真分析

4.5 本章小结

第5章 时滞柔性关节多协同机械臂位置/力控制

5.1 问题描述

5.2 柔性关节自适应控制器设计

5.3 时滞柔性关节神经网络自适应控制器

5.4 仿真分析

5.4.1 柔性关节自适应控制器仿真分析

5.4.2 时滞柔性关节神经网络自适应控制器仿真分析

5.5 本章小结

第6章 带有滞环的柔性关节受限多机械臂位置/力控制

6.1 问题描述

6.2 柔性关节自适应控制器设计

6.3 带有滞环的柔性关节鲁棒自适应控制器设计

6.4 仿真分析

6.4.1 柔性关节自适应控制器仿真分析

6.4.2 带有滞环的柔性关节鲁棒自适应控制器仿真分析

6.5 本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的学术成果

致谢