基于虛擬力的冗余自由度機械臂運動控制研究.pdf

1、冗余自由度機器人克服了一般機器人靈活性差、避障能力低、動力性能差等缺點，在航天、核電等特殊環(huán)境得到了廣泛的應(yīng)用；其特有的自運動引發(fā)的運動學(xué)、動力學(xué)及控制領(lǐng)域中的諸多難題，成為當(dāng)今廣泛研究的熱點。本文針對空間冗余機械臂展開路徑規(guī)劃和避障控制算法研究，完成的主要工作如下：
　　首先，建立了空間冗余自由度機械臂的運動學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上完成了對冗余度、冗余空間及奇異狀態(tài)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及描述，同時采用雅可比矩陣，得到了冗余機械臂的雅可比矩陣偽

2、逆的求解算法及零空間運動的數(shù)學(xué)描述。在運動學(xué)正逆解模型基礎(chǔ)上，對冗余自由度機械臂工作空間中直線或圓弧運動時進行位姿插補，完成沿預(yù)定軌跡的末端運動規(guī)劃。
　　其次，基于空間算子代數(shù)理論推導(dǎo)了空間冗余自由度機械臂動力學(xué)模型，并通過卡爾曼濾波及平滑方法完成了效率為O(n)的動力學(xué)正逆解算法，同時得到了用空間算子描述的雅可比矩陣及其求解算法；隨后，引入PID控制方法對關(guān)節(jié)位置及速度進行伺服跟蹤控制，完成關(guān)節(jié)空間的運動控制，同時引入分解速度

3、控制，將笛卡爾工作空間末端的運動映射到關(guān)節(jié)空間中關(guān)節(jié)的運動，完成了對末端沿指定軌跡的跟蹤運動控制。
　　再次，通過描述障礙域，提出了障礙最小距離的計算模型，并定義避障點速度增益、齊次解的增益，利用冗余機械臂零空間自運動的特點建立了機械臂避障運動的數(shù)學(xué)模型，同時引入并推導(dǎo)了基于虛擬速度及虛擬力方法的運動控制模型，完成了末端跟蹤預(yù)定軌跡的同時進行避障運動。
　　最后，運用Matlab/Simulink實現(xiàn)了冗余機械臂運動學(xué)、動力