二自由度串联机械臂与简易手抓力控制研究

摘要

机械臂迫切要求适用于非结构化环境接触任务，与机械臂紧密相关的机械手抓也迫切要求灵巧抓取。本文围绕机械手抓抓取任务的安全牢稳和成本等问题，以及机械臂接触任务的柔顺和安全等问题，分别对基于虚拟力传感器的简易手抓力控制，以及二自由度串联机械臂力跟踪阻抗控制和力估计避碰控制进行了研究。
　　首先，论文通过对课题的分析认识到：课题研究对象的共性是机械手抓和机械臂同为连杆机构，其运动、动力学建模方式相同；常见的简易机械手抓对称部分为平行四连杆机构，其实际自由度退化为一，可以施加简单的控制方式；基于力觉传感器的机械手抓成本昂贵，可以通过其他易测变量间接估计作用力；常见的机械臂接触任务需要同时满足不同方向的力控制和位置控制效果。依据以上认识将论文开展分为三个部分：机械手抓和机械臂的运动学、动力学模型建立基础；基于虚拟力传感器的简易手抓切换PID力控制；二自由度串联机械臂不同方向的力跟踪阻抗控制和力估计避碰控制。
　　其次，论文针对课题开展的三个部分开展了以下具体研究内容：
　　第一部分包括：二自由度串联机械臂的正、逆运动学和轨迹规划；简易手抓的运动学约束；运动-静力学二元性原则；连杆机构动力学模型。第二部分包括：简易手抓的关节空间开链动力学模型；依据运动-静力学二元性原则建立关节空间闭链动力学模型；驱动关节干扰力矩估计；依据虚位移原理估计夹持力。第三部分包括：机械臂动力学模型；逆动力学位置控制；位置内环阻抗控制；x轴方向力跟踪阻抗控制；y轴方向力估计避碰控制。
　　最后，MATLAB-Adams仿真实验结果表明论文研究内容解决了机械手抓和机械臂的两类问题：一是基于虚拟力传感器的简易手抓力控制，解决了抓取任务的安全牢稳和成本等问题；二是不同方向的力跟踪阻抗控制和力估计避碰控制的结合，系统地解决了机械臂接触任务的柔顺、安全问题。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 论文研究内容及创新点

2 机械臂与机械手抓运动学和动力学

2.1 机械臂运动学

2.2 机械手抓运动学约束

2.3 运动静力学二元性

2.4 动力学

2.5 本章小结

3 简易手抓虚拟力传感器

3.1 机械手抓闭链机构动力学建模

3.2 机械手抓驱动关节干扰力矩估计

3.3 机械手抓夹持力估计

3.4 本章小结

4 机械臂力跟踪阻抗和力估计避碰控制

4.1 机械臂操作空间动力学模型

4.2 逆动力学位置控制

4.3 阻抗控制

4.4 力跟踪阻抗控制

4.5 力估计避碰控制

4.6 本章小结

5 系统仿真验证

5.1 虚拟力传感器简易手抓力控制仿真

5.2 机械臂力跟踪阻抗和力估计避碰控制仿真

5.3 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果

学术论文：

参与项目：