復(fù)雜約束下的串聯(lián)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)控制方法研究.pdf

1、自上個(gè)世紀(jì)五十年代第一臺(tái)機(jī)器人出現(xiàn)以來，機(jī)器人技術(shù)就深受關(guān)注，而串聯(lián)機(jī)器人相比并聯(lián)機(jī)器人具有更大的可達(dá)空間和更優(yōu)良的可控性，在工業(yè)生產(chǎn)中更是得到了廣泛的應(yīng)用。隨著近二十年來計(jì)算機(jī)技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，機(jī)器人應(yīng)用不再僅限于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)或?qū)嶒?yàn)室，逐漸進(jìn)入深海作業(yè)、未知空間探索及家居服務(wù)等領(lǐng)域，而在這些新的應(yīng)用領(lǐng)域中，需要機(jī)器人具備更好的適應(yīng)性，能夠針對(duì)復(fù)雜環(huán)境的各種約束作出快速、準(zhǔn)確的響應(yīng)，在復(fù)雜動(dòng)態(tài)約束下的機(jī)器人控制也成為機(jī)器人技術(shù)面臨

2、的新挑戰(zhàn)。
　　本文以實(shí)驗(yàn)室和正特集團(tuán)聯(lián)合研制的ZT-010智能焊接機(jī)器人及實(shí)驗(yàn)室自主研制的七關(guān)節(jié)乒乓球機(jī)器人作為載體，通過理論研究和實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證相結(jié)合的方式，系統(tǒng)深入地研究了在多時(shí)變約束下的串聯(lián)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制、關(guān)節(jié)約束下的機(jī)械手二階逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制等問題，力求尋找在復(fù)雜動(dòng)態(tài)約束下的串聯(lián)機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制算法，為機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用提供有效的理論支持和技術(shù)方案。主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　1)提出時(shí)變廣義加權(quán)最小二乘算法求解

3、多時(shí)變動(dòng)態(tài)約束下的冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)問題。傳統(tǒng)的冗余機(jī)械臂控制方法無法對(duì)動(dòng)態(tài)時(shí)變約束下的冗余機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)在線控制，針對(duì)此問題，本文在廣義加權(quán)最小二乘方法的基礎(chǔ)上，提出了時(shí)變廣義加權(quán)最小二乘法，可以實(shí)現(xiàn)多時(shí)變約束下的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制。該方法利用虛擬關(guān)節(jié)的概念，通過非齊次時(shí)變映射將時(shí)變約束映射為帶有關(guān)節(jié)限位的虛擬關(guān)節(jié)約束，并通過對(duì)主任務(wù)的修正使虛擬關(guān)節(jié)空間到任務(wù)空間的映射為齊次映射，將原問題被轉(zhuǎn)化為帶有虛擬關(guān)節(jié)限位約束的機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制問題

4、，該問題可以在虛擬關(guān)節(jié)空間通過加權(quán)最小二乘法進(jìn)行求解。并在應(yīng)用中取得了較好的效果。本文還對(duì)原廣義加權(quán)最小二乘法的權(quán)值設(shè)定方法進(jìn)行了改進(jìn)，避免了原權(quán)值設(shè)定法則中采用一步預(yù)測(cè)方法帶來的繁瑣計(jì)算。該算法在焊接機(jī)械臂ZT-010上進(jìn)行了應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了時(shí)變焊槍姿態(tài)約束和關(guān)節(jié)限位約束下的焊接控制。
　　2)提出了關(guān)節(jié)約束下非冗余機(jī)械臂的二階逆運(yùn)動(dòng)學(xué)控制算法。雖然時(shí)變廣義加權(quán)最小二乘法可以處理包含關(guān)節(jié)位置的時(shí)變約束，但是無法處理關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)加速

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

6、遠(yuǎn)離速度閾值，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)整權(quán)重系數(shù)可以同時(shí)保證關(guān)節(jié)限位約束和關(guān)節(jié)速度約束。
　　3)提出關(guān)節(jié)約束下的冗余機(jī)械臂二階逆運(yùn)動(dòng)控制算法。在冗余機(jī)械臂的二階逆運(yùn)動(dòng)控制中容易出現(xiàn)關(guān)節(jié)自運(yùn)動(dòng)造成的不穩(wěn)定問題，這使帶約束的非冗余機(jī)械臂的控制算法無法直接應(yīng)用到冗余機(jī)械臂的二階運(yùn)動(dòng)學(xué)控制中。本文提出了處理冗余機(jī)械臂二階逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問題的新思路:當(dāng)機(jī)械臂末端運(yùn)動(dòng)時(shí)，保證齊次速度有界;而機(jī)械臂末端靜止時(shí)，齊次關(guān)節(jié)速度收斂。并提出利用帶有箝位項(xiàng)的加權(quán)最小二