冗余機械臂單關(guān)節(jié)故障下的建模與容錯控制研究.pdf

1、冗余機械臂在奇異回避、故障回避等方面具有很多優(yōu)點，因此應(yīng)用廣泛。然而，當其中一個關(guān)節(jié)發(fā)生故障并且被鎖定時，7自由度冗余機械臂退化成為6自由度機械臂，極大程度地降低了機器人的工作性能。為確保故障情況下機械臂仍然能夠完成給定的基本任務(wù)，本文研究冗余機械臂關(guān)節(jié)故障下的建模與容錯控制。
　　針對一類非球腕冗余空間機械臂，分析了其在不同臂形、不同關(guān)節(jié)故障、以及不同故障位置下的容錯性能指標。基于上述分析，可確定機械臂各關(guān)節(jié)故障下機械臂的操作性

2、能，為機械臂的任務(wù)設(shè)計、軌跡規(guī)劃、容錯控制等提供依據(jù)。
　　位置級逆運動學是機械臂實現(xiàn)笛卡爾運動規(guī)劃的關(guān)鍵。針對所研究的冗余機械臂的構(gòu)型特征，建立了單關(guān)節(jié)故障下的通用D-H參數(shù)表，并提出了解析、半解析的逆運動學求解方法。當1、2、6、7中的一個關(guān)節(jié)發(fā)生故障并鎖死時，正常關(guān)節(jié)所構(gòu)成的6DOF機械臂中，有三個相鄰關(guān)節(jié)軸相平行，滿足具有封閉解的條件，推導(dǎo)了各關(guān)節(jié)求解的解析式。當3、4、5中的一個關(guān)節(jié)被鎖死時，不滿足具有封閉解的條件，提出

3、了解析與數(shù)值相結(jié)合的方法。該方法通過“去偏置”構(gòu)造虛擬的球腕/肩機械臂，其各關(guān)節(jié)采用解析法求解；再結(jié)合原機械臂與所構(gòu)造機械臂的位姿關(guān)系，通過3DOF的數(shù)值迭代，得到原機械臂所有關(guān)節(jié)的解。
　　為實現(xiàn)單關(guān)節(jié)故障下的動力學控制與仿真研究，需要推導(dǎo)相應(yīng)的動力學模型。論文推導(dǎo)了單關(guān)節(jié)故障下等效桿件的動力學參數(shù)表達式，并建立了系統(tǒng)的拉格朗日動力學方程。當發(fā)生單關(guān)節(jié)故障時，與故障關(guān)節(jié)相鄰的兩個連桿組合成新的連桿，該組合連桿的動力學參數(shù)是故障角

4、度的函數(shù)，對任意關(guān)節(jié)故障下的組合連桿重新計算了其動力學參數(shù)。基于此動力學參數(shù)表達式，建立了單關(guān)節(jié)故障下的動力學模型，為實現(xiàn)單關(guān)節(jié)故障下的動力學控制與仿真研究，需要推導(dǎo)相應(yīng)的動力學模型。論文推導(dǎo)了單關(guān)節(jié)故障下等效桿件的動力學參數(shù)表達式，并建立了系統(tǒng)的拉格朗日動力學方程，并通過Adams軟件驗證了其正確性。
　　基于前述的運動學和動力學基礎(chǔ)，開展了單關(guān)節(jié)故障下的軌跡規(guī)劃及容錯控制方法研究。利用冗余機械臂的自運動特性，規(guī)劃了機械臂單關(guān)節(jié)