復雜約束下的串聯(lián)機械臂運動學控制方法研究.pdf

1、自上個世紀五十年代第一臺機器人出現(xiàn)以來，機器人技術就深受關注，而串聯(lián)機器人相比并聯(lián)機器人具有更大的可達空間和更優(yōu)良的可控性，在工業(yè)生產中更是得到了廣泛的應用。隨著近二十年來計算機技術和傳感器技術的飛速發(fā)展，機器人應用不再僅限于工業(yè)現(xiàn)場或實驗室，逐漸進入深海作業(yè)、未知空間探索及家居服務等領域，而在這些新的應用領域中，需要機器人具備更好的適應性，能夠針對復雜環(huán)境的各種約束作出快速、準確的響應，在復雜動態(tài)約束下的機器人控制也成為機器人技術面臨

2、的新挑戰(zhàn)。
　　本文以實驗室和正特集團聯(lián)合研制的ZT-010智能焊接機器人及實驗室自主研制的七關節(jié)乒乓球機器人作為載體，通過理論研究和實驗仿真驗證相結合的方式，系統(tǒng)深入地研究了在多時變約束下的串聯(lián)機械手的運動學控制、關節(jié)約束下的機械手二階逆運動學控制等問題，力求尋找在復雜動態(tài)約束下的串聯(lián)機械臂逆運動學控制算法，為機器人在復雜環(huán)境中的應用提供有效的理論支持和技術方案。主要研究內容如下:
　　1)提出時變廣義加權最小二乘算法求解

3、多時變動態(tài)約束下的冗余機械臂運動學問題。傳統(tǒng)的冗余機械臂控制方法無法對動態(tài)時變約束下的冗余機械臂進行運動學在線控制，針對此問題，本文在廣義加權最小二乘方法的基礎上，提出了時變廣義加權最小二乘法，可以實現(xiàn)多時變約束下的逆運動學控制。該方法利用虛擬關節(jié)的概念，通過非齊次時變映射將時變約束映射為帶有關節(jié)限位的虛擬關節(jié)約束，并通過對主任務的修正使虛擬關節(jié)空間到任務空間的映射為齊次映射，將原問題被轉化為帶有虛擬關節(jié)限位約束的機械臂逆運動學控制問題

4、，該問題可以在虛擬關節(jié)空間通過加權最小二乘法進行求解。并在應用中取得了較好的效果。本文還對原廣義加權最小二乘法的權值設定方法進行了改進，避免了原權值設定法則中采用一步預測方法帶來的繁瑣計算。該算法在焊接機械臂ZT-010上進行了應用，實現(xiàn)了時變焊槍姿態(tài)約束和關節(jié)限位約束下的焊接控制。
　　2)提出了關節(jié)約束下非冗余機械臂的二階逆運動學控制算法。雖然時變廣義加權最小二乘法可以處理包含關節(jié)位置的時變約束，但是無法處理關節(jié)速度、關節(jié)加速

5、度及關節(jié)力矩相關的約束。故本文提出非冗余機械臂的二階逆運動算法，在該算法下關節(jié)限位約束被轉化為具有時變閾值的關節(jié)速度約束，由于加權最小二乘法只能處理帶有固定閾值的關節(jié)約束，故本文提出了修正關節(jié)空間概念，通過建立真實關節(jié)到修正關節(jié)的時變映射，將時變閾值的關節(jié)速度約束轉化為固定閾值的修正關節(jié)速度約束，在修正關節(jié)空間通過加權最小二乘法，實現(xiàn)了對關節(jié)限位的避免。該控制律可以看作帶有關節(jié)速度鉗位項的加權最小二乘法，而關節(jié)速度鉗位項可以加速關節(jié)速度

6、遠離速度閾值，通過適當地調整權重系數可以同時保證關節(jié)限位約束和關節(jié)速度約束。
　　3)提出關節(jié)約束下的冗余機械臂二階逆運動控制算法。在冗余機械臂的二階逆運動控制中容易出現(xiàn)關節(jié)自運動造成的不穩(wěn)定問題，這使帶約束的非冗余機械臂的控制算法無法直接應用到冗余機械臂的二階運動學控制中。本文提出了處理冗余機械臂二階逆運動學問題的新思路:當機械臂末端運動時，保證齊次速度有界;而機械臂末端靜止時，齊次關節(jié)速度收斂。并提出利用帶有箝位項的加權最小二