冗余度机器人动力学容错性能的研究

摘要

冗余度机械臂以其特有的自运动性能引发了许多理论上和工程上的难题，这些成为机械工程和自动控制领域的研究焦点。同时，冗余度机械臂还具有容错性能，这对于机械臂在航天和其他特殊环境的应用具有特别重要的意义。机器人关节发生故障后将故障关节锁定是一种简单可靠的容错方式，它已经得到越来越多的关注和研究。但是在进行运动学规划的同时很少考虑机器人的动力学性能，尤其在研究容错操作末端轨迹误差的同时，在低速运动状态下由关节速度突变造成的关节加速度比较小，但是在高速运动状态下关节速度突变会造成很大的关节加速度，因而研究末端误差需要从速度级提升到加速度级。本文构造了最小关节力矩突变算法对高速运动状态下机器人的关节力矩进行规划。 首先，对冗余度机械臂的研究现状做了简单的介绍。对机械臂的动力学建模方法和效率进行了分析；对机器人的动力学性能指标进行了理论上的分析研究，最后给出了关节力矩的优化算法。 其次，提出了最小关节力矩突变算法。该算法选取机械臂关节锁定前后的关节力矩突变为优化的目标函数，以其加速度方程为约束条件。利用拉格朗日乘子法推导出该最优化问题的关节加速度解析表达式，并通过积分得出各个时刻机械臂各关节的关节速度和关节角度，从而实现对机械臂关节力矩突变极小化的控制。 再次，利用该算法对平面机械臂进行了仿真研究。以平面3R机械臂为研究对象，将同一锁定时刻的关节角度和关节力矩分别在运动学和动力学层面进行了比较，证明了算法的有效性。 最后，利用该算法对空间4R机械臂进行了仿真研究。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2文献综述

1.2.1冗余度机器人动力学方面的研究

1.2.2冗余度机器人容错控制研究

1.3本论文研究内容

第2章冗余度机器人动力学基本理论

2.1引言

2.2机器人动力学建模的基本理论

2.2.1牛顿—欧拉方法

2.2.2拉格朗日法

2.2.3凯恩法

2.2.4计算效率问题

2.3冗余度机器人动力学性能评价指标

2.4关节力矩优化算法

2.5本章小结

第3章最小关节力矩突变优化算法

3.1引言

3.2最小关节力矩突变优化算法理论推倒

3.2.1冗余度机器人的基本理论

3.2.2最小关节速度突变

3.2.3最小关节力矩突变

3.2.4力矩突变和末端误差

3.3本章小结

第4章平面冗余度机械臂动力学容错性能研究

4.1引言

4.2平面3R冗余度机械臂的动力学模型

4.2.1平面3R冗余度机械臂的雅可比矩阵

4.2.2平面3R冗余度机器人的惯性力计算

4.2.3平面3R冗余度机器人的动力学方程

4.3最小关节力矩突变优化算法数据仿真

4.4本章小结

第5章空间冗余度机械臂动力学容错性能研究

5.1引言

5.2空间4R冗余度机器人的动力学模型

5.2最小关节力矩突变优化算法数据仿真

5.4本章小结

结论

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢