仿人型乒乓球機(jī)械手運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)控制方法研究.pdf

1、仿人型乒乓球機(jī)械手是模擬人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造、用來(lái)?yè)舸蚱古仪虻臋C(jī)械手臂,具有6個(gè)以上自由度,可以靈活地實(shí)現(xiàn)絕大部分人手臂可以實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作。這類(lèi)手臂是鏈?zhǔn)叫D(zhuǎn)關(guān)節(jié)機(jī)械手,與傳統(tǒng)機(jī)械手臂相比,具有結(jié)構(gòu)小巧、重量輕、速度快、控制靈活等特點(diǎn)。除了在手臂終端安裝乒乓球拍完成擊打乒乓球的任務(wù)以外,還可以安裝各種夾具、靈巧手指等機(jī)構(gòu),完成各種演示、抓取等任務(wù)。其控制方法具有可擴(kuò)展性,容易應(yīng)用于焊接,噴涂、教學(xué)等機(jī)械手臂的控制中。該控制方法的研究也為家庭服

2、務(wù)型機(jī)器人領(lǐng)域的機(jī)械手臂應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
　　 本實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)制造的仿人型乒乓球機(jī)械手臂為7自由度手臂,三個(gè)版本的機(jī)械手臂都可以在位置、速度和電流三種控制模式下運(yùn)行。位置模式對(duì)應(yīng)的控制指令為各關(guān)節(jié)角度轉(zhuǎn)換成的碼盤(pán)讀數(shù),電機(jī)控制中的速度和力矩環(huán)由電機(jī)控制盒實(shí)現(xiàn)。速度模式也被稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)控制,對(duì)應(yīng)的控制指令為各關(guān)節(jié)角速度,力矩控制環(huán)由控制盒實(shí)現(xiàn)。由于直流伺服電機(jī)電流與力矩成正比關(guān)系,因此電流模式也稱為力矩模式,對(duì)應(yīng)手臂動(dòng)力學(xué)控制。該

3、模式對(duì)應(yīng)的控制指令為電機(jī)電流,控制盒使實(shí)際電機(jī)電流跟蹤指令電流。本文的研究包含參數(shù)識(shí)別、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制方法,主要研究?jī)?nèi)容包括:
　　 1)針對(duì)機(jī)械手臂加工、組裝等環(huán)節(jié)的不精確導(dǎo)致的手臂DH模型參數(shù)(也稱為運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)、幾何參數(shù))不準(zhǔn)問(wèn)題,提出了一種使用Leica三維激光測(cè)量裝置、基于大量測(cè)量數(shù)據(jù)的參數(shù)標(biāo)定方法.通過(guò)標(biāo)定得到DH模型參數(shù)的修正值,大幅提高了手臂終端的三維空間定位精度。對(duì)于動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)的識(shí)別,提出了一種基于二次優(yōu)

4、化的動(dòng)力學(xué)參數(shù)識(shí)別方法。并針對(duì)識(shí)別參數(shù)構(gòu)成的慣性矩陣非正定的問(wèn)題,提出一種特征值調(diào)整使慣性矩陣正定化的方法,使得最終獲得的動(dòng)力學(xué)參數(shù)滿足慣性矩陣正定化的條件。同時(shí),本文給出了基 Solidworks三維建模的動(dòng)力學(xué)參數(shù)估計(jì)方法。
　　 2)提出一種針對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)任務(wù)的冗余化方法,將傳統(tǒng)的非冗余6維點(diǎn)到點(diǎn)任務(wù)投影到低維空間實(shí)現(xiàn),使障礙避免等次任務(wù)可以通過(guò)冗余控制方法實(shí)現(xiàn)。同時(shí)本文給出了低維投影的示例以及投影函數(shù)需滿足的數(shù)學(xué)條件。

5、>　　 3)針對(duì)冗余機(jī)械手臂多任務(wù)控制問(wèn)題,提出一種擴(kuò)展最小二乘方法,將關(guān)節(jié)限制以外的其他次任務(wù)轉(zhuǎn)化為虛擬關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)限制問(wèn)題,再應(yīng)用加權(quán)最小二乘方法解決。并通過(guò)直接設(shè)定權(quán)重矩陣的逆矩陣和一步預(yù)測(cè)的方法設(shè)定其中加權(quán)矩陣的權(quán)值,實(shí)現(xiàn)冗余機(jī)械手臂在較多次任務(wù)約束情形下的控制問(wèn)題。只要同時(shí)到達(dá)限制閩值的次任務(wù)數(shù)目不多于手臂的冗余自由度數(shù)目,該方法可同時(shí)保證主任務(wù)跟蹤精度和多于手臂自由度數(shù)目的次任務(wù)的實(shí)現(xiàn)。
　　 4)給出了仿人型機(jī)械手

6、臂的動(dòng)力學(xué)控制方法。針對(duì)動(dòng)態(tài)LuGre摩擦力補(bǔ)償問(wèn)題,提出一種使用簡(jiǎn)化觀測(cè)器觀測(cè)鬃毛偏折狀態(tài)的方法,并結(jié)合自適應(yīng)控制律,使用L,yapunov方法分析了使用簡(jiǎn)化觀測(cè)器的自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性。單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)情形下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法在動(dòng)態(tài)摩擦力補(bǔ)償中的優(yōu)越性。
　　 5)提出了一種適用于動(dòng)力學(xué)參數(shù)中含有一定不確定性的機(jī)械手臂的碰撞檢測(cè)算法。該算法基于動(dòng)量守恒推導(dǎo)而出,構(gòu)造一個(gè)擾動(dòng)觀測(cè)器觀測(cè)手臂受到外部作用力的大小,并根據(jù)該觀測(cè)器的