仿人型乒乓球機械手運動學(xué)及動力學(xué)控制方法研究.pdf

1、仿人型乒乓球機械手是模擬人手臂結(jié)構(gòu)設(shè)計制造、用來擊打乒乓球的機械手臂,具有6個以上自由度,可以靈活地實現(xiàn)絕大部分人手臂可以實現(xiàn)的動作。這類手臂是鏈式旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)機械手,與傳統(tǒng)機械手臂相比,具有結(jié)構(gòu)小巧、重量輕、速度快、控制靈活等特點。除了在手臂終端安裝乒乓球拍完成擊打乒乓球的任務(wù)以外,還可以安裝各種夾具、靈巧手指等機構(gòu),完成各種演示、抓取等任務(wù)。其控制方法具有可擴展性,容易應(yīng)用于焊接,噴涂、教學(xué)等機械手臂的控制中。該控制方法的研究也為家庭服

2、務(wù)型機器人領(lǐng)域的機械手臂應(yīng)用奠定堅實的基礎(chǔ)。
　　 本實驗室設(shè)計制造的仿人型乒乓球機械手臂為7自由度手臂,三個版本的機械手臂都可以在位置、速度和電流三種控制模式下運行。位置模式對應(yīng)的控制指令為各關(guān)節(jié)角度轉(zhuǎn)換成的碼盤讀數(shù),電機控制中的速度和力矩環(huán)由電機控制盒實現(xiàn)。速度模式也被稱為運動學(xué)控制,對應(yīng)的控制指令為各關(guān)節(jié)角速度,力矩控制環(huán)由控制盒實現(xiàn)。由于直流伺服電機電流與力矩成正比關(guān)系,因此電流模式也稱為力矩模式,對應(yīng)手臂動力學(xué)控制。該

3、模式對應(yīng)的控制指令為電機電流,控制盒使實際電機電流跟蹤指令電流。本文的研究包含參數(shù)識別、運動學(xué)和動力學(xué)控制方法,主要研究內(nèi)容包括:
　　 1)針對機械手臂加工、組裝等環(huán)節(jié)的不精確導(dǎo)致的手臂DH模型參數(shù)(也稱為運動學(xué)參數(shù)、幾何參數(shù))不準問題,提出了一種使用Leica三維激光測量裝置、基于大量測量數(shù)據(jù)的參數(shù)標定方法.通過標定得到DH模型參數(shù)的修正值,大幅提高了手臂終端的三維空間定位精度。對于動力學(xué)模型參數(shù)的識別,提出了一種基于二次優(yōu)

4、化的動力學(xué)參數(shù)識別方法。并針對識別參數(shù)構(gòu)成的慣性矩陣非正定的問題,提出一種特征值調(diào)整使慣性矩陣正定化的方法,使得最終獲得的動力學(xué)參數(shù)滿足慣性矩陣正定化的條件。同時,本文給出了基 Solidworks三維建模的動力學(xué)參數(shù)估計方法。
　　 2)提出一種針對點到點任務(wù)的冗余化方法,將傳統(tǒng)的非冗余6維點到點任務(wù)投影到低維空間實現(xiàn),使障礙避免等次任務(wù)可以通過冗余控制方法實現(xiàn)。同時本文給出了低維投影的示例以及投影函數(shù)需滿足的數(shù)學(xué)條件。

5、>　　 3)針對冗余機械手臂多任務(wù)控制問題,提出一種擴展最小二乘方法,將關(guān)節(jié)限制以外的其他次任務(wù)轉(zhuǎn)化為虛擬關(guān)節(jié)的關(guān)節(jié)限制問題,再應(yīng)用加權(quán)最小二乘方法解決。并通過直接設(shè)定權(quán)重矩陣的逆矩陣和一步預(yù)測的方法設(shè)定其中加權(quán)矩陣的權(quán)值,實現(xiàn)冗余機械手臂在較多次任務(wù)約束情形下的控制問題。只要同時到達限制閩值的次任務(wù)數(shù)目不多于手臂的冗余自由度數(shù)目,該方法可同時保證主任務(wù)跟蹤精度和多于手臂自由度數(shù)目的次任務(wù)的實現(xiàn)。
　　 4)給出了仿人型機械手

6、臂的動力學(xué)控制方法。針對動態(tài)LuGre摩擦力補償問題,提出一種使用簡化觀測器觀測鬃毛偏折狀態(tài)的方法,并結(jié)合自適應(yīng)控制律,使用L,yapunov方法分析了使用簡化觀測器的自適應(yīng)控制的穩(wěn)定性。單關(guān)節(jié)和多關(guān)節(jié)情形下的實驗結(jié)果證明了該方法在動態(tài)摩擦力補償中的優(yōu)越性。
　　 5)提出了一種適用于動力學(xué)參數(shù)中含有一定不確定性的機械手臂的碰撞檢測算法。該算法基于動量守恒推導(dǎo)而出,構(gòu)造一個擾動觀測器觀測手臂受到外部作用力的大小,并根據(jù)該觀測器的