一類欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)伺服控制研究.pdf

1、隨著社會(huì)的進(jìn)步，工業(yè)應(yīng)用的拓展，在機(jī)器人、航空航天和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域逐漸涌現(xiàn)出一類特殊的機(jī)械系統(tǒng)：欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的全驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)不同，此類系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)數(shù)目少于自由度，其中不僅包含強(qiáng)非線性、強(qiáng)耦合性等因素，還具有驅(qū)動(dòng)缺失、約束非完整等特點(diǎn)，這使得欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制逐漸成為控制領(lǐng)域極富挑戰(zhàn)性的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)之一。
　　靈長類仿生機(jī)器人的“懸臂運(yùn)動(dòng)仿生”研究中，可以抽象出一種特殊的運(yùn)動(dòng)控制問題，與一般的平衡點(diǎn)鎮(zhèn)定控制、軌跡跟蹤控制

2、不同，它只關(guān)心目標(biāo)點(diǎn)的可達(dá)性，而不關(guān)心具體的實(shí)現(xiàn)方式，其最終運(yùn)動(dòng)軌跡具有周期的、動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)，因此稱之為“動(dòng)態(tài)伺服控制”。“動(dòng)態(tài)伺服控制”不僅僅存在于靈長類仿生機(jī)器人中，還廣泛適用于Acrobot、TORA、垂直平面RRR型欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂等一類欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)中。本論文以Acrobot（雙臂式靈長類仿生機(jī)器人）為應(yīng)用對(duì)象，以國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“靈長類仿生機(jī)器人懸臂運(yùn)動(dòng)仿生與控制策略研究”為依托，針對(duì)一類欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)伺服控制，對(duì)其中所

3、涉及到的動(dòng)態(tài)伺服軌跡規(guī)劃、軌跡跟蹤控制等問題開展系統(tǒng)地研究。
　　基于拉格朗日方程建立了一般機(jī)械系統(tǒng)和Acrobot的動(dòng)力學(xué)模型，基于該模型，在數(shù)學(xué)上定義了全驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)和欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)。根據(jù)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)中所包含的非完整約束以及欠驅(qū)動(dòng)自由度是否受保守力的作用，將其分為一階非完整欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)、無勢(shì)二階非完整欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)和有勢(shì)二階非完整欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)，通過對(duì)二階非完整約束欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的可控性與可接近性的分析，給出了動(dòng)態(tài)伺服控制

4、所適用的一類欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械系統(tǒng)的特征。由此給出了動(dòng)態(tài)伺服控制的定義，根據(jù)動(dòng)態(tài)伺服控制的三類實(shí)現(xiàn)方式引申出兩個(gè)子問題：基本動(dòng)態(tài)伺服控制問題和點(diǎn)到點(diǎn)動(dòng)態(tài)伺服控制問題。
　　通過對(duì)保守系統(tǒng)周期運(yùn)動(dòng)行為的分析，提出了一種基于能量的動(dòng)態(tài)伺服軌跡規(guī)劃方法，該方法利用系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)自由度和機(jī)械能，共同確定出經(jīng)過目標(biāo)點(diǎn)的周期軌道；針對(duì)基于能量的軌跡規(guī)劃方法中存在的軌跡單一，無法附加額外條件等缺點(diǎn)，提出了基于虛約束的動(dòng)態(tài)伺服軌跡規(guī)劃方法，用廣義虛約束代替驅(qū)動(dòng)

5、自由度常值約束，利用廣義軌道函數(shù)代替機(jī)械能來確定軌跡，通過對(duì)所確定的軌跡進(jìn)行計(jì)算和周期性判斷，可以方便設(shè)計(jì)符合目標(biāo)的動(dòng)態(tài)伺服軌跡。在此基礎(chǔ)上，采用一種直接搜索方法，有效地解決點(diǎn)到點(diǎn)動(dòng)態(tài)伺服軌跡規(guī)劃問題。
　　針對(duì)基于能量和基于虛約束方法所設(shè)計(jì)的軌跡都是由約束函數(shù)和軌道函數(shù)確定，可以將軌跡跟蹤控制問題變換成為輸出鎮(zhèn)定控制問題，在此基礎(chǔ)上，分別提出基于Lyapunov的軌跡跟蹤控制方法，為充分利用有限的控制輸入，采用部分反饋線性化方法

6、，通過構(gòu)造虛擬輸入鎮(zhèn)定虛約束函數(shù)，進(jìn)而通過軌道函數(shù)與虛擬輸入之間的關(guān)系設(shè)計(jì)級(jí)聯(lián)控制律，實(shí)現(xiàn)虛約束函數(shù)與軌道函數(shù)共同鎮(zhèn)定。仿真實(shí)驗(yàn)表明了兩種動(dòng)態(tài)伺服控制方法的有效性。
　　針對(duì)Acrobot動(dòng)態(tài)伺服控制問題進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，搭建了一個(gè)基于dSPACE的Acrobot實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，分別在平臺(tái)上開展了基于能量的動(dòng)態(tài)伺服控制實(shí)驗(yàn)、基于虛約束的動(dòng)態(tài)伺服控制實(shí)驗(yàn)以及魯棒性實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了所提動(dòng)態(tài)伺服控制設(shè)計(jì)方法是有效的。
　　最后，推廣了