协同多机械臂位置/力控制方法研究

摘要

随着科技的发展，关于机器人控制的理论研究也愈发成为热点课题。在机器人的位置/力方面，国内外对于单机械臂的控制研究比较充分，但在协同多机械臂的控制领域中，尤其是国内研究相对较少。与单机械臂系统相比，多机械臂系统具有很大优势：能够轻松抓取较重物体、能够适应复杂多变的工业环境、协同操作可明显提高工作效率。多机械臂虽有如此多的优点，但是在对其控制上存在很多难点。由于多机械臂在抓取同一物体时，系统会潜在地形成闭环链结构，就使得每一个机械臂的末端执行器在位置和速度上时刻受约束，并一直保持与物体运动保持同步，这样使得系统的状态变量高度耦合，进而增大控制器设计方面难度。 本文针对协同多机械臂系统，将单机械臂的动力学模型推广到协同多机械臂系统动力学模型的建立中，同时又对受固定约束和时变约束的协同多机械臂系统进行了动力学建模。上述所建立的动力学模型摒弃了以往大多数基于关节空间的模型，转而建立基于任务空间的动力学模型。文中又详细计算了仿真模型的具体参数针，并对MATLAB的Simulink编程中所涉及的关键数据计算进行了详细阐述。 本文针对协同多机械臂的位置/力控制问题，分别设计了基于线性滑模和终端滑模的位置/力控制器，包括鲁棒控制器、自适应控制器等。在控制器的设计中，本文对线性滑模和终端滑模进行了相应的改造，使得基于改造后的滑模的控制器能够保证系统位置/力都能够渐近收敛（线性滑模）或有限时间收敛（终端滑模），而大多数文献中的控制器仅仅能确保位置误差渐近收敛于零，对于力误差的控制，只能保证误差有界。 本文针对受固定约束的协同多机械臂位置/力（约束力和内力）控制问题，针对上文建立的降维模型，先设计位置/约束力控制器，然后在此控制器的基础上加入内力控制项，最终能够保证位置误差渐近收敛和力（约束力和内力）误差有界。又针对受时变约束的协同多机械臂位置/力（约束力和内力）控制问题，并考虑了外界干扰，引入了模糊控制算法，对终端滑模进行改造。在控制器设计中，摒弃了以往受约束机械臂降维控制思路，使得控制器的设计基于不降维的模型，最终设计的控制器能够保证位置误差和约束力误差在有限时间内收敛于零，且内力误差有界。 最终通过严格的李雅普诺夫稳定性数学推导和针对双二关节机械臂模型的MATLAB仿真结果验证了所设计策略的有效性。

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