雙臂機器人擬人化動作實現(xiàn)與協(xié)調控制方法研究.pdf

1、擬人雙臂機器人在精密打磨、精密裝配、大負載搬運等工業(yè)領域有其獨特的優(yōu)勢，它是下一代工業(yè)機械臂智能化發(fā)展的方向。擬人雙臂機器人是仿照人手臂的自由度構成和分配而設計的一種機械臂系統(tǒng)，其具備操作空間大、靈活性高以及協(xié)同能力強等特點而被廣大學者研究;由于冗余自由度的存在，雙臂機器人系統(tǒng)運動控制研究水平一定程度上標志著一個國家在機械臂研究領域的學術地位。本文以擬人雙臂機器人為研究對象，以人體雙臂運動機理、雙臂機器人運動規(guī)劃方法以及雙臂協(xié)調運動控制

2、為研究內容，針對傳統(tǒng)運動規(guī)劃方法操作復雜、效率低下以及雙臂機器人運動控制系統(tǒng)存在的非線性等問題開展相關研究。本文研究的主要內容如下
　　1.提出了基于直角三角函數(shù)的手臂關節(jié)旋轉的評價方法。從人類手臂的特點出發(fā)，結合人體解剖學，分別對肩部、肘部與前臂、腕部進行了詳細闡述及運動學分析，構建了肩關節(jié)-肘關節(jié)-手腕組成的人類手臂運動鏈，并對其運動學進行了建模。分析了手臂關節(jié)角的運動軌跡、角度變化以及肌肉的作用力特征，解決了手臂在旋轉過程中

3、肩部和肘部關節(jié)力矩的計算問題。
　　2.提出了基于人體手臂運動捕獲數(shù)據(jù)的對偶四元數(shù)空間向量法關節(jié)角計算方法。針對傳統(tǒng)人體雙臂運動捕獲方法存在的不足，描述了光學運動捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點以及當前在運動捕捉數(shù)據(jù)的分析與處理方法中有待解決的問題。應用空間向量法對人體肩部和肘部關節(jié)角進行了計算，通過對偶四元數(shù)對原型標記點位置的逆運動學進行了求解，避免了歐拉角的奇異點問題。
　　3.采用了歐幾里得群結構與最優(yōu)控制逆解相結合的方法，建立了人機匹

4、配模型。圍繞機器人復現(xiàn)人體雙臂運動的目標，通過對捕獲人體雙臂運動軌跡上的速度和關節(jié)角度變化數(shù)據(jù)進行修正，并將修正后的數(shù)據(jù)與機器人模型進行運動學匹配，解決了人體運動數(shù)據(jù)到雙臂機器人的最佳模型匹配問題。實現(xiàn)了仿人雙臂機器人的擬人化運動。
　　4.雙臂機器人位置跟蹤精度不同控制策略的對比研究。在經典反演控制器設計的基礎上，建立了一種改進型的雙臂協(xié)調反演控制策略。該策略有三個特點:第一，采用模糊逼近反演控制算法，對非線性不確定性進行估計，

5、進一步提高末端位置跟蹤的精度?；诹臀恢玫幕旌峡刂葡到y(tǒng)，模糊逼近末端期望軌跡，完成了雙臂的協(xié)調抓取任務。第二，采用擴展的自適應反演控制方法來控制雙臂穩(wěn)定工作，充分利用反演法的優(yōu)點，使用一階濾波器減少控制器的復雜度?；诹匮a償?shù)哪：赃m應反演控制方法，對機器人雙臂實現(xiàn)準確的軌跡跟蹤。第三，采用滑模自適應反演控制方法來減少系統(tǒng)總干擾，結合非線性擾動觀測器的特點，提出了一種非線性擾動觀測的滑模自適應反演控制方法。該方法削弱了滑?？刂频亩墩?/p>

6、，提高了仿人雙臂機器人系統(tǒng)的控制性能，保證雙臂系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
　　5.設計了雙臂機器人擬人化控制和雙臂協(xié)調穩(wěn)定操作的完整方案。針對機器人雙臂實現(xiàn)擬人化操作問題，應用目前通用的仿真平臺V-REP(Virtual RobotExperimentation Platform)從仿真、實驗角度驗證了本論文提出方法的有效性，為仿人機器人雙臂協(xié)調穩(wěn)定控制以及雙臂擬人化復現(xiàn)操作提供了一個新的參考方向和方法，拓展了雙臂機器人的應用，具有積極的學術