关键词：欠驱动机械臂;;非完整;;链式系统;;运动奇异性
摘 要：欠驱动系统指独立控制输入小于其自由度数目的系统,对于欠驱动机械臂而言,则是指机械臂中存在没有安装驱动器的关节。欠驱动系统由于驱动器数量的减少,具有重量轻、成本低、能耗低等众多优点,应用前景十分广阔。非完整约束机构具有欠驱动特性,很多欠驱动系统本质上是非完整系统。非完整系统具有运动耦合性,系统呈现一些复杂的特性,如不能采用光滑非线性反馈来实现渐进稳定,不能实现输入-状态线性化,这些特点使得非完整系统的控制问题成为当今控制领域最具挑战性的难题之一。本论文以一种具有非完整特性的欠驱动多关节机械臂为研究对象,对其进行运动控制以及相关实验研究。欠驱动多关节机械臂以一种非完整机构为基本运动传递单元,结合运动学模型分析了机械臂的可控性和链式变换方法。基于机械臂的链式模型,提出了一种运动规划方法。在链式系统中采用时间多项式作为控制输入,通过求解以机械臂边界条件建立的约束方程组可以得到链式系统的控制输入,进而求得链式空间中状态变量的运动轨迹,经过链式逆变换即可以得到机械臂关节运动轨迹。根据机械臂的结构特征分析了机械臂的冗余特性,建立了线性评价函数,通过这一函数对机械臂逆运动学解进行优化,以达到规避奇异位形,优化关节运动轨迹的目的。结合机械臂可控可链式化的条件,提出了机械臂过奇异点运动规划的概念,通过分析机械臂的工作空间,说明了机械臂过奇异点运动的必要性。基于机械臂的结构对称性和路径规划器对称性,提出了机械臂末端执行器在零点对称位置时的路径规划方法,实现了机械臂对称位置的过奇异点运动规划。当机械臂末端执行器处于非对称位置时,采用三段轨迹进行运动规划,通过改进时间多项式运动规划器和时间尺度变换的方法实现了多段轨迹切换时的速度连续,达到机械臂平稳运动经过关节零点的目的。搭建运动控制实验平台,并对过奇异点运动规划方法进行实验验证。以UMAC(Universal Motion and Automation Controller)作为运动控制器控制两个伺服电机驱动机械臂转动,通过电机编码器和角位移传感器获得机械臂运动过程中各个关节的实际角位移数据,经过理论计算结果和实验结果的对比分析,证明了过奇异点运动规划方法的可行性。本论文结合机械臂的结构特点,基于链式模型提出了运动规划方法,采用分段规划的方法实现了过关节奇异位形零点的运动规划。为研究复杂非完整欠驱动系统的运动规划以及规避障碍约束提供了一种思路。
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