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基于交叉耦合策略的多指手控制方法的研究

作　者: 潘军
导　师: 姜力
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 交叉耦合多指手参数辨识变结构控制模糊控制
分类号: TP242.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 94次
引　用: 1次
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内容摘要

为了提高机器人的智能化水平和作业水平,多指灵巧手成为机器人领域中一个重要的研究方向。本文结合国家自然科学基金项目“机器人多指手实时力优化和自主操作控制的研究”(课题号:60675045),以HIT/DLR手为平台,研究了基于交叉耦合控制的多指手操作控制方法。多指手指尖的精确控制是实现精细操作的基础,目前手指指尖的轨迹都是通过各关节来间接保证的,在其作业的笛卡尔空间并没有形成闭环控制,这影响了多指手操作性能的提高。因此本文在建立了多指手的数学模型后,将交叉耦合控制策略引入到多指手的控制系统中来协调各关节的运动。根据手指运动学和指尖期望运动轨迹得出了一般形式下的轮廓误差和关节耦合误差,设计了包含关节耦合误差补偿的前馈控制器和滑模变结构控制器,并进行了稳定性证明和仿真。实验表明,所设计的控制器具有更高的轨迹跟踪精度和抗干扰能力。多个手指间的协调是研究多指操作的一个重点。结合多指运动学和灵巧手结构特点,本文研究了多指同步耦合位置控制算法和阻抗控制算法来协调各手指的运动。根据多指手抓取特点确定了指尖同步误差,建立了同时包含指间同步误差和指尖轮廓误差的关节滑模变结构耦合控制器。通过将关节力矩传感器的反馈信号转化为位置修正向量,并引入同步耦合误差补偿,建立了耦合阻抗控制器,使手指在受力操作时仍能保持一定的包络形状,实现稳定抓取。为了解决关节大范围内运动时参数较难整定和系统抖动的难点,将模糊控制和滑模变结构结合起来,通过在线调整控制器参数,使系统具有更好的适应性和稳定性。最后通过实验验证了算法的有效性。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-7
第1章绪论  7-16
  1.1 课题背景  7
  1.2 多指手的研究现状  7-9
  1.3 手指控制方法  9-13
    1.3.1 位置控制  10-11
    1.3.2 柔顺控制  11-13
    1.3.3 多指抓取操作  13
  1.4 交叉耦合控制综述  13-15
  1.5 本研究课题的来源及主要研究内容  15-16
第2章多指手的数学模型及参数辨识  16-24
  2.1 引言  16
  2.2 单手指运动学  16-19
  2.3 多指运动学  19-20
  2.4 单关节系统参数辨识  20-23
    2.4.1 系统模型建立  20
    2.4.2 辨识算法的基本原理  20-21
    2.4.3 辨识结果  21-23
  2.5 本章小结  23-24
第3章单手指交叉耦合控制研究  24-39
  3.1 引言  24
  3.2 耦合误差确定  24-27
    3.2.1 平面轮廓误差的确定  24-25
    3.2.2 空间轮廓误差的确定  25-26
    3.2.3 关节耦合误差的确定  26-27
  3.3 控制器设计  27-33
    3.3.1 控制器设计（一）  27-29
    3.3.2 控制器设计（二）  29-33
  3.4 MATLAB 仿真  33-34
  3.5 实验验证  34-38
    3.5.1 位置控制实验  34-37
    3.5.2 干扰下的轨迹跟踪实验  37-38
  3.6 本章小结  38-39
第4章多手指模糊变结构交叉耦合控制研究  39-48
  4.1 引言  39
  4.2 指间同步误差的确定  39-41
  4.3 耦合位置控制器设计  41-42
  4.4 耦合阻抗控制器设计  42-43
  4.5 模糊变结构控制器设计  43-47
    4.5.1 模糊变量以及隶属函数的选择  43-44
    4.5.2 模糊控制规则的建立  44-45
    4.5.3 模糊输出的计算  45-46
    4.5.4 数值仿真  46-47
  4.6 本章小结  47-48
第5章多指手抓取实验  48-57
  5.1 引言  48
  5.2 抓取模型的建立  48-50
  5.3 抓取实验  50-56
    5.3.1 位置控制实验  51-54
    5.3.2 阻抗控制实验  54-56
  5.4 本章小结  56-57
结论  57-58
参考文献  58-62
攻读学位期间发表的学术论文  62-64
致谢  64

基于交叉耦合策略的多指手控制方法的研究

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