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多移动机械臂系统的轨迹规划与跟踪控制

作　者: 方牧
导　师: 陈卫东
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 多移动机械臂系统 轨迹规划 跟踪控制 B样条曲线 模型参考自适应控制
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 101次
引　用: 2次
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内容摘要


本文以多移动机械臂系统为研究对象,在多移动机械臂系统的轨迹规划和运动控制方面做出了初步的探索。多移动机械臂系统是由多个移动机械臂组成的共同作业系统,其研究涉及机械、控制、力学、数学最优化等学科,是一门多学科交叉的研究领域。因此对于多移动机械臂系统的研究具有重要的理论价值和学科意义。此外,多移动机械臂系统可用于工业现场、野外勘探、家庭服务等,具有广泛的应用前景。多移动机械臂系统的研究是一个极富挑战性的课题。移动机械臂的协调操作增加了系统的复杂性。轮式移动平台给系统带来非完整约束;移动操作臂的大范围关节运动使得系统的非线性特征更加明显;多移动操作臂的协调运作构成一个封闭的运动链,增加了运动约束和力约束;另外,对操作目标的抓握力量也需要进行恰当的控制。本文从研究角度出发,探索了多移动机械臂系统的通用的轨迹规划和跟踪控制方法。在轨迹规划方面,本文根据多移动机械臂系统的动力学模型以及关节力矩、位姿和速度等限制,通过B样条曲线插值产生多移动机械臂系统的关节位置、速度及加速度轨迹,在关节空间中实现规划。本文的规划方法以系统的抓举重量、能量耗费和花费时间为综合优化指标,可以实现在系统能耗尽量小的前提下短时间内抓取尽量重的物体。在运动控制方面,结合多移动机械臂系统的动力学模型,提出了基于模型参考自适应的跟踪控制。本文的控制方法在动力学模型参数变化和系统存在干扰的情况下仍然能完成稳定的控制,完成对所有移动机械臂的轨迹跟踪,同时约束系统中操作目标物体所受内力于一个安全的范围内。最后,本文给出多移动机械臂系统的仿真平台设计方法,并以两个5自由度的二连杆移动机械臂组成的多移动机械臂系统为仿真对象,验证了本文提出的轨迹规划和跟踪控制方法的有效性。

全文目录


摘要  3-5
ABSTRACT  5-7
目录  7-9
第一章 绪论  9-17
  1.1 引言  9-11
    1.1.1 工业机器人  9-11
    1.1.2 移动机器人  11
  1.2 移动机械臂及多移动机械臂系统  11-13
    1.2.1 移动机械臂  11-12
    1.2.2 多移动机械臂系统  12-13
  1.3 多移动机械臂系统的研究进展  13-15
    1.3.1 轨迹规划  13-14
    1.3.2 运动控制  14-15
  1.4 本论文的研究内容和组织结构  15-17
第二章 多移动机械臂系统的动力学模型  17-30
  2.1 系统描述和假设  17-18
  2.2 移动机械臂的动力学模型  18-20
    2.2.1 非完整约束的概念  18-19
    2.2.2 轮式移动平台的非完整约束  19
    2.2.3 非完整约束下的移动机械臂动力学模型  19-20
  2.3 被抓取物体的动力学模型  20-21
  2.4 多移动机械臂系统的动力学模型  21-23
    2.4.1 系统内部变量间的关系  21-22
    2.4.2 系统动力学模型  22-23
    2.4.3 系统动力学模型的性质  23
  2.5 两个二连杆移动机械臂组成的系统  23-29
    2.5.1 二连杆移动机械臂的动力学模型  25-27
    2.5.2 非完整约束和雅可比矩阵  27-29
  2.6 本章小结  29-30
第三章 基于B 样条的多移动机械臂系统轨迹规划方法  30-42
  3.1 轨迹规划问题概述  30-31
    3.1.1 关节空间和任务空间的轨迹规划  30-31
    3.1.2 轨迹规划的一般性问题  31
  3.2 B 样条曲线  31-36
    3.2.1 B 样条基函数  32-33
    3.2.2 B 样条曲线的性质  33-34
    3.2.3 B 样条曲线实例  34-35
    3.2.4 B 样条曲线的微分  35-36
  3.3 基于 B 样条的多移动机械臂系统轨迹规划  36-39
    3.3.1 规划问题的数学描述  36-38
    3.3.2 基于 B 样条的规划问题  38-39
  3.4 仿真研究  39-41
  3.5 本章小结  41-42
第四章 多移动机械臂系统的跟踪控制  42-52
  4.1 自适应控制  42-44
    4.1.1 模型参考自适应控制系统  42-43
    4.1.2 自矫正控制系统  43-44
  4.2 基于模型参考自适应的跟踪控制  44-45
  4.3 控制法则的稳定性  45-47
    4.3.1 李雅普诺夫稳定性理论  45-46
    4.3.2 控制法则的稳定性证明  46-47
  4.4 两个二连杆移动机械臂系统的跟踪控制  47-51
    4.4.1 轨迹和内力跟踪  48-49
    4.4.2 物体变更的情况讨论  49-50
    4.4.3 外界干扰下的情况讨论  50-51
  4.5 本章小结  51-52
第五章 多移动机械臂系统的仿真平台设计  52-58
  5.1 Simulink 概述  52-54
    5.1.1 S-函数  53-54
  5.2 仿真平台的设计  54-57
    5.2.1 设计思路  54-55
    5.2.2 两个二连杆移动机械臂系统的仿真平台设计  55-57
  5.3 本章小结  57-58
第六章 结论和展望  58-60
  6.1 结论  58
  6.2 展望  58-60
参考文献  60-67
致谢  67-68
攻读硕士学位期间发表的学术论文目录  68-70

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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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