多約束下的機械臂運動控制算法研究.pdf

1、隨著機器人行業(yè)的快速發(fā)展，機械臂已經(jīng)深入到工業(yè)制造的各個方面，并且往醫(yī)療以及家庭服務(wù)方向邁進。針對應(yīng)用的不同，機械臂的結(jié)構(gòu)類型多樣化，關(guān)節(jié)數(shù)從兩關(guān)節(jié)到七關(guān)節(jié)不等，負(fù)載以及速度運行能力都有不同的等級。因而，研究通用的運動控制算法，適用于不同種類的機械臂控制至關(guān)重要。另一方面，工業(yè)現(xiàn)場總線的通訊速率已經(jīng)可以滿足機械臂的實時運動控制要求，而且計算機運行速度也可以保證復(fù)雜算法在控制周期內(nèi)完成。因而，機械臂開始從原先的離線規(guī)劃轉(zhuǎn)變到實時控制模式，

2、對運動控制算法的魯棒性提出了更高要求。此外，機器人的運行環(huán)境已不再單一，在復(fù)雜工況以及動態(tài)環(huán)境中，機械臂運動控制算法必須具備處理多任務(wù)、多約束的能力。本文以實驗室自主研制的七關(guān)節(jié)乒乓球機器人為載體，通過理論研究和實驗仿真驗證相結(jié)合的方式，系統(tǒng)深入地研究了機械臂姿態(tài)運動控制、關(guān)節(jié)約束下的運動控制、多任務(wù)優(yōu)先級運動控制以及多約束下的運動控制等問題，相關(guān)成果應(yīng)用于工業(yè)機器人通用控制軟件平臺中，并且為機器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用提供有效的理論支持和

3、技術(shù)方案。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對某些機械臂應(yīng)用場景中，姿態(tài)定向可以實現(xiàn)與定位等同的功能，本文提出了機械臂的姿態(tài)定向控制方法。通過引入四元數(shù)法，實現(xiàn)了姿態(tài)大范圍變化的連續(xù)參數(shù)表達(dá)。根據(jù)姿態(tài)定向特性，提出了誤差反饋形式，并且采用李雅普諾夫方法，證明了定向控制閉環(huán)系統(tǒng)的漸進穩(wěn)定特性。采用姿態(tài)定向控制，相對于定位任務(wù)，機械臂多了一個冗余度，從而提升機械臂的操作度，以及關(guān)節(jié)避障的能力。⑵提出了關(guān)節(jié)約束下機械臂的運動學(xué)控制算法，鉗位

4、加權(quán)最小范數(shù)算法。由于加權(quán)最小范數(shù)法的權(quán)值切換條件需要對關(guān)節(jié)速度進行過零檢測，因而容易受到干擾而發(fā)生錯誤的權(quán)值切換判斷，導(dǎo)致關(guān)節(jié)速度指令不連續(xù)。本文將關(guān)節(jié)鉗位項引入到加權(quán)最小范數(shù)算法中，提出了鉗位加權(quán)最小范數(shù)算法。該算法采用連續(xù)權(quán)值，消除了原先的權(quán)值切換問題，并且引入鉗位任務(wù)，有效地防止關(guān)節(jié)運行至限位之外，促使關(guān)節(jié)遠(yuǎn)離限位。鉗位加權(quán)最小范數(shù)法適用于非冗余以及冗余機械臂。在主任務(wù)與關(guān)節(jié)限位不發(fā)生沖突的情況下，該方法可以確保主任務(wù)的精度。⑶

5、任務(wù)優(yōu)先級的控制算法是處理多任務(wù)的有效方法。然而，任務(wù)的有效性切換將會引起關(guān)節(jié)速度的不連續(xù)。本文提出一種新的零空間計算方式，并且給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。在此基礎(chǔ)上，提出連續(xù)的零空間算子以及矩陣逆計算，應(yīng)用于優(yōu)先級任務(wù)分層控制中，實現(xiàn)任務(wù)的有效性切換，并且保證關(guān)節(jié)速度的連續(xù)性。⑷廣義加權(quán)最小范數(shù)法中的虛擬關(guān)節(jié)將一般約束問題轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)約束問題處理。然而，虛擬關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換矩陣存在奇異問題，以及虛擬關(guān)節(jié)必須小于實際關(guān)節(jié)個數(shù)。另外，將多個約束轉(zhuǎn)化為一個