多自由度机械臂单关节故障下的容错控制研究

摘要

目前机械臂应用范围广泛，在航空航天、高危环境、核环境等工作的机械臂突发故障时，人为介入维护困难，亟需机械臂带故障执行任务，容错控制问题应运而生。由于故障的突发性和故障发生位置的不确定性，传统容错方法在强耦合的机械臂系统上应用困难。针对上述问题，本文对多自由度机械臂单关节故障的容错控制展开研究。　　首先，本文交代了课题的研究背景和意义，总结了被动容错、主动容错和智能容错控制方法的优劣势以及研究现状，确立了研究的目标和内容，提炼出相应的研究关键点。分析了常见的机械臂故障，以典型的六自由度串联结构的机械臂为例，依据物理结构进行运动分解，将空间问题转换为平面问题，确立了以六自由度串联机械臂主要运动关节发生单关节锁死故障作为研究对象。考虑实际应用及算法的统一性，将传感器锁死故障转换为执行器锁死故障处理。　　其次，本文对机械臂进行数学建模。使用后置式D-H参数法建立了机械臂的正运动学及微分运动学模型，使用拉格朗日法建立了动力学模型，为论文提供了模型基础和理论支撑。为了判断机械臂故障后是否可容错，使用蒙特卡洛方法分析了机械臂的工作空间和退化工作空间。为了衡量并提高机械臂故障后的运动能力，根据现有的三种运动学性能指标，设计了综合关节可操作度。　　再次，依据执行器和传感器锁死时对机械臂特征参量的不同影响，本文设计了速度残差观测器用于关节故障的检测和诊断。基于强化学习理论设计了深度强化学习容错控制算法，在算法中加入了综合关节可操作度以提高深度网络收敛后机械臂的运动能力。　　最后，本文对残差观测器效果进行了仿真验证，对容错控制方法分别进行仿真和实物验证。通过可重复性实验及多维度的结果分析表明，本文所设计速度残差观测器及容错控制方法可以有效的完成单关节故障机械臂的故障诊断及容错控制。

目录

声明

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.1.1 课题研究背景

1.1.2 课题研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 容错机器人的研究现状

1.2.2 容错控制技术研究现状

1.3 研究内容及结构安排

1.3.1 研究目标与研究内容

1.3.2 研究的关键点

1.3.3 结构安排

1.4 本章小结

2 机械臂故障分析及运动分解

2.1 机械臂故障分类及模型建立

2.2 六自由度串联机械臂的运动分解及故障归一化

2.3 本章小结

3 多自由度串联机械臂的数学模型

3.1 运动学模型

3.1.1 正运动学模型

3.1.2 微分运动学模型

3.2 动力学模型

3.2.1 机械臂的动能计算

3.2.2 机械臂的势能计算

3.2.3 动力学方程

3.3 本章小结

4 故障机械臂运动学性能分析

4.1 退化工作空间的分析

4.1.1 工作空间与退化工作空间

4.1.2 基于蒙特卡洛的工作空间描述方法

4.1.3 数值仿真

4.2 运动学性能

4.2.1 退化最小奇异值

4.2.2 退化条件数

4.2.3 退化可操作度

4.2.4 故障机械臂综合运动学性能

4.3 本章小结

5 机械臂单关节故障诊断及容错控制策略

5.1 基于速度残差观测器的关节故障诊断

5.2 容错控制方法设计

5.2.1 强化学习理论

5.2.2 基于强化学习的容错控制方法

5.3 本章小结

6 实验验证与结果分析

6.1 实验平台搭建

6.1.1 残差观测器仿真实验平台搭建

6.1.2 机械臂仿真及实体实验平台搭建

6.2 残差观测器实验及结果分析

6.2.1 残差观测器观测效果实验

6.2.2 实验结果分析

6.3 强化学习容错控制实验及结果分析

6.3.1 容错控制仿真实验

6.3.2 UR5机械臂容错控制实验

6.3.3 实验结果分析

6.4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果