基于鏈式變換的非完整機械臂路徑規(guī)劃.pdf

1、隨著非線性控制理論、微分幾何學(xué)、計算機技術(shù)等學(xué)科的飛速發(fā)展，極大地促進了非完整機器人運動控制的研究，并已經(jīng)取得了許多重要的研究成果，其中針對仿射系統(tǒng)的一種標準形式----鏈式系統(tǒng)的運動控制更是受到廣泛重視，并已經(jīng)成為該領(lǐng)域的研究熱點之一，而對于面向模型變換設(shè)計且具有復(fù)雜機械結(jié)構(gòu)的新型非完整機器人的路徑規(guī)劃研究并不多見。本研究主要內(nèi)容包括：
　?、艔姆峭暾麢C械臂的運動學(xué)特性分析入手，推導(dǎo)了鏈式變換公式，提出了系統(tǒng)的模型變換奇異性問題

2、，這是研究非完整機械臂路徑規(guī)劃的基礎(chǔ)；對機械臂運動學(xué)方程的非線性坐標變換進行了分析，建立了用于描述鏈式空間與位形空間映射規(guī)律的坐標變換雅克比矩陣，為非完整機械臂控制輸入矢量場的選擇提供了理論依據(jù)。
　　⑵依據(jù)機械臂的結(jié)構(gòu)特征提出了模型變換奇異位形的規(guī)避方法；從機械臂的實際控制性能需求出發(fā)建立了路徑線性逼近評價指標，明確了在某一局部路徑規(guī)劃器作用下最優(yōu)的線性逼近路徑；研究了存在初始誤差條件下所規(guī)劃路徑的容錯能力，提出了初始位形誤差敏

3、感度矩陣和誤差容錯系數(shù)，揭示了路徑規(guī)劃器控制參數(shù)與非完整機械臂運動控制的魯棒性和可操作性之間的關(guān)系。
　?、腔诜蔷€性方程求根的迭代計算方法，設(shè)計了一種將機械臂的實際目標位形作為反饋信息的迭代學(xué)習(xí)控制器，利用Gerschgorin disk定理和李普希茨條件證明了在初位形始誤差和模型誤差作用下該控制器可以使實際目標位形以任意速度向設(shè)定的目標位形收斂。
　　⑷在分析鏈式變換微分同胚性的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地研究了各關(guān)節(jié)“過零位形”運動

4、的條件，提出了非完整機械臂關(guān)節(jié)路徑過零規(guī)劃的方法；定義了局部路徑規(guī)劃器一致連續(xù)性的概念，該性質(zhì)表征了鏈式空間中相鄰兩個位形之間的路徑向初始位形收斂的能力，揭示了在局部路徑規(guī)劃器作用下鏈式空間中一條路徑向關(guān)節(jié)空間微分同胚映射的規(guī)律；通過計算仿真和實驗研究證明了具備一致連續(xù)性的局部路徑規(guī)劃器能夠更有效地規(guī)避模型變換奇異位形。
　?、捎捎诜峭暾麢C械臂具有強非線性和高耦合度的特點，提出了一種可用于鏈式系統(tǒng)的局部路徑規(guī)劃算法----三角函數(shù)

5、切換控制律，基本思想是將系統(tǒng)在兩個控制輸入同時作用下的復(fù)合運動變?yōu)樵趩我豢刂戚斎胱饔孟碌暮唵芜\動；雖然三角函數(shù)切換控制律不具備一致連續(xù)特性，但通過控制相鄰兩位形的間距依然可以獲得較好的路徑規(guī)劃性能，與時間尺度變換技術(shù)相結(jié)合不但可以有效解決機構(gòu)瞬時加速度過快、力矩器飽和等問題，而且保證了所規(guī)劃出的路徑是處處光滑的。
　　⑹搭建了三關(guān)節(jié)非完整機械臂運動控制實驗平臺，設(shè)計了交流伺服電機的雙閉環(huán)系統(tǒng)，優(yōu)化了運動控制平臺的軟件結(jié)構(gòu)體系，實現(xiàn)