带有机械臂的球形机器人若干问题的研究

摘要

带有机械臂的球形机器人是在现有球形机器人的基础上，融合多臂机器人特点的一种移动机器人。这种机器人一方面能够进行全方位行走运动。同时又具有对外界环境进行灵活操作的能力，具有广泛的应用前景。本论文以一种新型的带有机械臂球形机器人为主要研究对象，并借助1个移动关节5个旋转关节（1P5R）和3个旋转关节（3R）的柔性关节机械臂模型对该球形机器人的若干问题进行较为深入的研究。论文建立了一种带有机械臂球形机器人的动力学模型，提出了欠驱动球形机器人惯性参数的辨识方法，设计了球形机器人球壳静止时的柔性关节机械臂的动力学控制策略，并提出了一种运动状态下的关节面物理参数辨识方法。主要研究工作如下：
　　 1.分析了一种具有13个刚体、15个自由度的带有机械臂球形机器人系统的运动特性，以球壳为基座，球壳内部的驱动装置、两侧的球冠以及球冠内部的臂杆为连杆，分析了系统各构件的运动规律；充分考虑非完整约束条件，得到了各构件的偏速度、偏角速度、广义主动力和广义惯性力的表达式。利用Kane方程建立了系统质量分布均匀时的动力学模型。对球壳沿直线及S曲线行走时各关节力/力矩以及球壳欧拉角分别进行了仿真分析。
　　 2.针对欠驱动球形机器人动力学模型的特点，提出了基于惯性测量单元（IMU）传感器的惯性参数辨识方法。根据Kane方法建立了系统质量分布不均匀时的动力学模型，利用模型中的三个欠驱动方程推导出了球形机器人惯性参数辨识模型；以一种新型的带有机械臂球形机器人为实验平台，根据安装在球形机器人内框上的惯性测量单元实测信息，对所提辨识方法进行了实验验证。实验结果表明该方法简单可行，同时为其它欠驱动机器人惯性参数辨识提供了一种新的思路。
　　 3.将球形机器人球壳静止时的臂杆操作系统假想为带有移动关节和旋转关节的机械臂系统，建立了6自由度柔性关节机械臂的刚柔耦合动力学模型，并在该模型的基础上，详细讨论了1P5R（1个移动关节、5个旋转关节）柔性关节机械臂的反馈线性化控制方法。在系统工作空间内设计轨迹生成器，借助MATLAB软件工具，采用数值方法分别对同一路径下两种不同运动状态的轨迹进行了跟踪仿真控制。该研究对于合理规划机械臂末端操作轨迹有很好的指导意义。
　　 4.针对带有机械臂球形机器人的多连杆柔性关节机械臂，设计了基于高斯径向基函数（RBF）神经网络的滑模控制器，该控制器利用神经网络的逼近能力，将各关节的切换函数作为网络的输入，系统的控制量作为网络的输出，控制器完全由连续的RBF神经网络实现。利用该控制器与线性二次型跟踪器以及传统滑模控制器对三连杆柔性关节机械臂进行了轨迹跟踪控制仿真，并对结果进行了对比分析。
　　 5.针对柔性关节机械臂关节面参数的时变特性，提出了一种多体机械系统运动状态下关节面参数辨识的新方法。将机械臂柔性关节等效为弹性扭转轴，并将应用于结构中的行波分析方法与机器人关节旋转变换矩阵相结合，建立了运动机构系统的波导方程。根据系统各结点力平衡与位移边界条件，建立了运动状态下系统激励预测模型，根据预测出的系统激励以及实验测量得到的关节扭转角等因素，建立了系统振动方程。分别采用最小二乘法和神经网络方法对上述方程进行求解，推导出了关节动态刚度和阻尼的辨识模型。以两种不同的运动轨迹驱动3自由度机械臂，对其进行了辨识实验研究。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 球形机器人的研究现状

1.3 球形机器人动力学的研究现状

1.4 机器人惯性参数辨识方法的研究现状

1.5 柔性关节机械臂动力学建模与控制策略的研究现状

1.6 机械臂关节面参数辨识方法的研究现状

1.7 本论文研究的主要内容

第二章 带有机械臂的球形机器人动力学研究

2.1 引言

2.2 非完整系统动力学中的Kane方法

2.2.1 完整约束和非完整约束

2.2.2 Kane方程

2.3 带有机械臂的球形机器人介绍

2.3.1 机器人机构

2.3.2 拓扑构型的描述

2.4 带有机械臂的球形机器人运动学分析

2.4.1 坐标系的建立

2.4.2 坐标变换矩阵

2.4.3 运动分析

2.5 基于Kane方程的带有机械臂球形机器人动力学模型

2.5.1 偏角速度和偏速度

2.5.2 广义惯性力

2.5.3 广义主动力

2.5.4 系统动力学模型

2.6 带有机械臂球形机器人动力学仿真与分析

2.6.1 算法步骤

2.6.2“长轴水平”的带有机械臂球形机器人直线运动仿真与分析

2.6.3 带有机械臂球形机器人S曲线运动仿真与分析

2.7 本章小结

第三章 带有机械臂的欠驱动球形机器人惯性参数辨识研究

3.1 引言

3.2 惯性参数

3.3 质量分布非均匀的欠驱动球形机器人运动学与动力学方程

3.3.1 质量分布非均匀的欠驱动球形机器人坐标系的建立

3.3.2 质量分布非均匀的欠驱动球形机器人运动学分析

3.3.3 质量分布非均匀的欠驱动球形机器人动力学模型

3.4 欠驱动球形机器人的惯性参数辨识问题研究

3.4.1 欠驱动系统辨识模型

3.4.2 欠驱动球形机器人惯性参数辨识模型

3.4.3 基于人工神经网络的辨识方法

3.5 带有机械臂欠驱动球形机器人惯性参数辨识的实验研究

3.5.1 带有机械臂欠驱动球形机器人实验平台

3.5.2 基于人工神经网络的带有机械臂球形机器人惯性参数辨识实验研究

3.5.3 实验结果分析

3.6 本章小结

第四章 柔性关节机械臂的运动分析与动力学研究

4.1 引言

4.2 IP5R柔性关节机械臂运动学分析

4.3 IP5R柔性关节机械臂动力学建模

4.4 基于反馈线性化方法的IP5R柔性关节机械臂动力学控制研究

4.4.1 反馈线性化控制策略

4.4.2 控制仿真验证

4.5 本章小结

第五章 多连杆柔性关节机械臂的非线性控制策略研究

5.1 引言

5.2 多连杆柔性关节机械臂动力学模型

5.3 多连杆柔性关节机械臂的关节位置跟踪控制研究

5.3.1 线性二次型跟踪器

5.3.2 滑模控制

5.4 多连杆柔性关节机械臂神经滑模控制系统设计

5.4.1 径向基函数(RBF)神经网络

5.4.2 多连杆柔性关节机械臂神经滑模控制系统设计

5.4.3 多连杆柔性关节机械臂神经滑模控制稳定性分析

5.4.4 多连杆柔性关节机械臂神经滑模控制系统仿真研究

5.5 本章小结

第六章 柔性关节机械臂关节面参数辨识研究

6.1 引言

6.2 行波分析结构振动的基本思想

6.3 柔性关节机械臂系统波动分析

6.3.1 单元波导方程

6.3.2 整体坐标系下波导方程

6.3.3 系统散射模型

6.4 柔性关节机械臂关节面刚度与阻尼识别研究

6.4.1 柔性关节机械臂振动激励预测模型

6.4.2 柔性关节单元波幅系数的识别

6.4.3 柔性关节机械臂关节面参数辨识步骤

6.5 柔性关节机械臂关节面参数辨识实验研究

6.5.13R柔性关节机械臂实验平台

6.5.2 振动激励预测实验与分析

6.5.3 行波法辨识实验与分析

6.5.4 行波法与神经网络混合辨识研究

6.6 本章小结

第七章 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读博士学位期间取得的研究成果