三连杆单杠体操机器人系统研究

摘要

单杠上的体操机器人是欠驱动多输入多输出复杂系统的典型例子，是一种具有非驱动关节的机器人。它的摆起倒立动作运动范围大，运动具有高度的复杂性和非线性。欠驱动单杠体操机器人有一个以上关节没有驱动装置，这些关节也称作被动关节或自由关节。欠驱动多输入多输出系统特点是输入空间(即控制空间)维数小于构造空间维数，这就增大了在控制上的难度。 本课题研究的是三连杆单杠体操机器人，该机器人的一个关节是欠驱动关节。本文根据三连杆单杠体操机器人的特点，以人体多刚体模型动力学为基础，建立了它的准确数学描述和模型。本文根据单杠体操运动员的上杠动作设计了一套摆起倒立动作，将动作划分为六个阶段。根据每一个阶段的控制目标，以反馈线性化控制理论为基础，使用人工神经网络设计了控制器并进行了仿真研究。通过仿真证明了使用人工神经网络控制策略行之有效。 本文第一章介绍了单杠体操机器人的研究意义和研究现状，并分析了本课题的特点和难点。第二章介绍了系统物理模型及机器人硬件结构，并对机器人进行了动力学特性分析。第三章对机器人的目标动作划分为6个阶段。第一章至第三章是控制器分析和设计的基础。 第四章首先介绍了人工神经网络和反馈线性化控制理论，然后进行了摆动控制器分析与设计，建立了系统仿真模型，给出了摆动控制器仿真结果。仿真结果表明了设计方法的有效性。 第五章对平衡控制器进行了设计及研究，给出了平衡点附近的仿真结果。仿真结果表明了设计方法的有效性。 本文最后对系统进行了总结，指出了所研究问题的不足之处，并进行了展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章引言

1.1课题的研究意义

1.2国内外研究状况

1.2.1单杠体操机器人模型

1.2.2单杠体操机器人的控制问题研究

1.3本课题的特点及难点

1.4课题的主要工作

第2章系统物理模型及机器人硬件结构

2.1人体多刚体模型动力学基础

2.2三连杆单杠体操机器人系统物理模型

2.3机器人硬件结构

2.4机器人动力学特性分析

第3章机器人目标动作阶段划分

第4章摆动控制器分析与设计

4.1人工神经网络基础

4.2建立非线性系统模型的一般方法

4.3系统仿真基本模型的建立

4.4摆动控制器分析

4.5神经网络反馈线性化控制理论基础

4.6摆动控制器设计

第5章平衡控制器设计及研究

5.1系统模型的近似线性化

5.2平衡控制器的设计

5.3控制器之间的切换

第6章结论与展望

致谢

参考文献

附录