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机械臂力/位置混合控制方法研究

作　者: 覃海强
导　师: 熊庆宇
学　校: 重庆大学
专　业: 控制科学与工程
关键词: 机械臂 力/位置混合控制 梯度投影 震荡抑制 系统仿真
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


机械臂是一种模拟人臂的机械装置，是机器人最主要的执行机构。二十世纪五十年代初问世以来，发展至今，已逐渐渗透到军事、航天、医疗、日常生活及教育娱乐等各个领域。机械臂在执行各种任务时，都会与外界环境相互接触，此时为了让机械臂达到最佳的作业效果，必须控制机械臂既能够沿着期望的轨迹运动又能对与外界环境之间接触力的大小进行有效地控制，即要对机械臂同时进行力和位置的控制。机械臂力/位置混合控制算法的研究，对扩大机器人应用领域和增加机器人在工作环境中灵活性，有着重要的意义。本文基于机器人的控制理论，在现有的机械臂力/位置混合控制成果上，对相关控制算法做了进一步的研究，具体内容包括：根据经典的R-C控制器可知，对机械臂末端力与位置的混合期望，可通过机器人动力学与运动学将其转化为机械臂各个关节上的驱动力矩，并叠加到各个关节上，进而实现机械臂的力/位置混合控制。此时，在位置环的控制上，则退化为冗余机械臂的位置控制，因此引入伪逆/梯度投影法，实现力/位置混合控制中的位置环控制。而力控制环，则根据传统的机器人动力学来实现。对机械臂末端与刚性环境碰撞接触过程进行分析，针对冲击震荡过程中所产生一系列的脉冲力，设计冲击振荡抑制控制器以削弱冲击振荡阶段的振动幅值，缩短冲击振荡持续时间，最终达到保护机械臂与环境的目的。分别在Matlab/SimMechanic和ADAMS软件中建立二自由度机械臂仿真模型，并在典型的机械臂工况中，对基于伪逆/梯度投影法的力/位置混合控制器和冲击振荡抑制控制器进行仿真验证，最终验证了机械臂的力/位置混合控制以及冲击震荡过程中脉冲力抑制的有效性与可行性。本文从机械臂模型的建立、力/位置混合控制算法、振荡抑制以及机械臂系统控制的仿真等方面开展研究，所取得的成果对于机械臂的控制理论及应用具有重要的理论和实际意义。

全文目录


中文摘要  3-4
英文摘要  4-8
1 绪论  8-18
  1.1 课题背景及研究的目的和意义  8-10
    1.1.1 背景  8-9
    1.1.2 目的和意义  9-10
  1.2 研究综述  10-16
    1.2.1 被动柔顺控制与主动柔顺控制  10-12
    1.2.2 阻抗控制  12-14
    1.2.3 力/位置混合控制  14-16
    1.2.4 小结  16
  1.3 本文主要工作及章节安排  16-18
2 机械臂力/位置混合控制基础知识  18-29
  2.1 引言  18
  2.2 约束坐标系、自然约束和人工约束  18-22
    2.2.1 约束坐标系  18-20
    2.2.2 自然约束和人工约束  20-22
  2.3 机械臂及环境的数学模型  22-26
    2.3.0 机械臂动力学模型  22-25
    2.3.1 机械臂与环境相接触时的动力学模型  25
    2.3.2 力传感反馈系统的数学模型  25-26
  2.4 机械臂的力/位置混合控制  26-28
  2.5 本章小结  28-29
3 基于梯度投影法的力/位置混合控制  29-42
  3.1 引言  29
  3.2 伪逆/梯度投影法的引入  29
  3.3 位置控制环  29-35
    3.3.1 常规的梯度投影法  29-30
    3.3.2 通解形式  30-32
    3.3.3 最小范数解  32-33
    3.3.4 给定性能指标的最优解  33-34
    3.3.5 算法步骤  34
    3.3.6 基于梯度投影法的位置控制环  34-35
  3.4 力控制环  35-36
  3.5 力/位置混合控制  36-37
  3.6 冲击振荡阶段脉冲力的抑制控制  37-41
    3.6.1 脉冲力的产生  37-39
    3.6.2 脉冲力的抑制  39-41
  3.7 本章小结  41-42
4 机械臂力/位置混合控制仿真验证  42-59
  4.1 引言  42-43
  4.2 平面机械臂力/位置混合控制仿真思路  43-44
  4.3 MATLAB/SIMULINK 仿真验证及分析  44-52
    4.3.1 控制系统  45-46
    4.3.2 机械臂模型  46-47
    4.3.3 力/位置混合期望模型  47-48
    4.3.4 力传感器模型  48
    4.3.5 仿真结果  48-52
  4.4 MATLAB-ADAMS 联合仿真验证及分析  52-58
    4.4.1 控制系统  52-53
    4.4.2 机械臂模型  53-55
    4.4.3 仿真结果  55-58
  4.5 本章小结  58-59
5 总结与展望  59-60
  5.1 工作总结  59
  5.2 工作展望  59-60
致谢  60-61
参考文献  61-64
附录  64
  A. 作者在攻读学位期间发表的论文目录  64
  B. 作者在攻读学位期间参与的科研项目  64

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机械手
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