关键词：运动学;;动力学;;力/位置混合控制;;碰撞检测
摘 要：随着工业自动化水平的不断提升,机械臂的运用范围也在不断扩大。为满足复杂环境下的任务需求,对机械臂进行有效力控制便显得十分重要。机械臂的力控即在约束位置上对末端执行器与环境的接触力进行控制,本文采用力/位置混合控制方法研究机械臂的力控问题,将机械臂的工作空间分为位置子空间和力子空间。位置子空间位于接触面的切线方向,在该空间内对机械臂进行位置控制,力子空间与接触面的法线方向一致,在该空间内对机械臂采取力控制策略。机械臂的位置控制是对工作空间内机械臂的末端位姿加以控制,需先建立机械臂的运动学模型,实现关节空间与笛卡尔空间坐标的相互转换。文章采用D-H参数法建立机械臂的正运动学方程,并在此基础上推导了机械臂的雅可比矩阵。由于机械臂的逆运动学问题具有多解性,采用牛顿迭代法获得最优解。在对机械臂进行末端力控制前,需将其从空间任意位置平稳运行到达接触点,运用模拟退火遗传算法对这段路径进行轨迹规划研究。机械臂力控可以实现对末端输出力的有效控制,动力学模型的建立是其研究的关键。运用拉格朗日法推导机械臂的动力学方程,得出关节运动与力矩之间关系。为获得准确的动力学参数,采用基于电流的辨识方法对动力学参数进行辨识。在机械臂运动学与动力学模型的基础上,采用力/位置混合控制方法研究机械臂的末端力控制。通过雅可比矩阵将期望力与位置分配到各个关节之中,设计基于电流的力检测模块作为力反馈,结合动力学模型构成系统的力控制环,而在位置控制环中,反馈由机械臂的内置编码器直接获得。考虑机械臂运行过程的安全性,比较关节电流、速度的实际值与理论值,并将差值作为感知器的输入,通过实验训练感知器进行物体碰撞检测。若在运行过程中机械臂与环境发生意外碰撞,对其当前位姿进行重力补偿,从而实现机械臂的碰撞急停。在本文实验部分,首先验证了路径规划方法与动力学参数辨识的正确性。之后设计接触运动实验验证力/位置混合控制的有效性。最后通过实际数据对感知器进行训练,验证感知器用于碰撞检测的准确性。
内 容：原文可通过湖北省科技信息共享服务平台（http://www.hbstl.org.cn)获取