多約束下的機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制算法研究.pdf

1、隨著機(jī)器人行業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)械臂已經(jīng)深入到工業(yè)制造的各個(gè)方面，并且往醫(yī)療以及家庭服務(wù)方向邁進(jìn)。針對(duì)應(yīng)用的不同，機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)類型多樣化，關(guān)節(jié)數(shù)從兩關(guān)節(jié)到七關(guān)節(jié)不等，負(fù)載以及速度運(yùn)行能力都有不同的等級(jí)。因而，研究通用的運(yùn)動(dòng)控制算法，適用于不同種類的機(jī)械臂控制至關(guān)重要。另一方面，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的通訊速率已經(jīng)可以滿足機(jī)械臂的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制要求，而且計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度也可以保證復(fù)雜算法在控制周期內(nèi)完成。因而，機(jī)械臂開始從原先的離線規(guī)劃轉(zhuǎn)變到實(shí)時(shí)控制模式，

2、對(duì)運(yùn)動(dòng)控制算法的魯棒性提出了更高要求。此外，機(jī)器人的運(yùn)行環(huán)境已不再單一，在復(fù)雜工況以及動(dòng)態(tài)環(huán)境中，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制算法必須具備處理多任務(wù)、多約束的能力。本文以實(shí)驗(yàn)室自主研制的七關(guān)節(jié)乒乓球機(jī)器人為載體，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)深入地研究了機(jī)械臂姿態(tài)運(yùn)動(dòng)控制、關(guān)節(jié)約束下的運(yùn)動(dòng)控制、多任務(wù)優(yōu)先級(jí)運(yùn)動(dòng)控制以及多約束下的運(yùn)動(dòng)控制等問題，相關(guān)成果應(yīng)用于工業(yè)機(jī)器人通用控制軟件平臺(tái)中，并且為機(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

3、技術(shù)方案。
　　本研究主要內(nèi)容包括：⑴針對(duì)某些機(jī)械臂應(yīng)用場(chǎng)景中，姿態(tài)定向可以實(shí)現(xiàn)與定位等同的功能，本文提出了機(jī)械臂的姿態(tài)定向控制方法。通過引入四元數(shù)法，實(shí)現(xiàn)了姿態(tài)大范圍變化的連續(xù)參數(shù)表達(dá)。根據(jù)姿態(tài)定向特性，提出了誤差反饋形式，并且采用李雅普諾夫方法，證明了定向控制閉環(huán)系統(tǒng)的漸進(jìn)穩(wěn)定特性。采用姿態(tài)定向控制，相對(duì)于定位任務(wù)，機(jī)械臂多了一個(gè)冗余度，從而提升機(jī)械臂的操作度，以及關(guān)節(jié)避障的能力。⑵提出了關(guān)節(jié)約束下機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)控制算法，鉗位

4、加權(quán)最小范數(shù)算法。由于加權(quán)最小范數(shù)法的權(quán)值切換條件需要對(duì)關(guān)節(jié)速度進(jìn)行過零檢測(cè)，因而容易受到干擾而發(fā)生錯(cuò)誤的權(quán)值切換判斷，導(dǎo)致關(guān)節(jié)速度指令不連續(xù)。本文將關(guān)節(jié)鉗位項(xiàng)引入到加權(quán)最小范數(shù)算法中，提出了鉗位加權(quán)最小范數(shù)算法。該算法采用連續(xù)權(quán)值，消除了原先的權(quán)值切換問題，并且引入鉗位任務(wù)，有效地防止關(guān)節(jié)運(yùn)行至限位之外，促使關(guān)節(jié)遠(yuǎn)離限位。鉗位加權(quán)最小范數(shù)法適用于非冗余以及冗余機(jī)械臂。在主任務(wù)與關(guān)節(jié)限位不發(fā)生沖突的情況下，該方法可以確保主任務(wù)的精度。⑶

5、任務(wù)優(yōu)先級(jí)的控制算法是處理多任務(wù)的有效方法。然而，任務(wù)的有效性切換將會(huì)引起關(guān)節(jié)速度的不連續(xù)。本文提出一種新的零空間計(jì)算方式，并且給出了嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。在此基礎(chǔ)上，提出連續(xù)的零空間算子以及矩陣逆計(jì)算，應(yīng)用于優(yōu)先級(jí)任務(wù)分層控制中，實(shí)現(xiàn)任務(wù)的有效性切換，并且保證關(guān)節(jié)速度的連續(xù)性。⑷廣義加權(quán)最小范數(shù)法中的虛擬關(guān)節(jié)將一般約束問題轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)約束問題處理。然而，虛擬關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)換矩陣存在奇異問題，以及虛擬關(guān)節(jié)必須小于實(shí)際關(guān)節(jié)個(gè)數(shù)。另外，將多個(gè)約束轉(zhuǎn)化為一個(gè)