基于虛擬力的冗余自由度機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制研究.pdf

1、冗余自由度機(jī)器人克服了一般機(jī)器人靈活性差、避障能力低、動(dòng)力性能差等缺點(diǎn)，在航天、核電等特殊環(huán)境得到了廣泛的應(yīng)用；其特有的自運(yùn)動(dòng)引發(fā)的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制領(lǐng)域中的諸多難題，成為當(dāng)今廣泛研究的熱點(diǎn)。本文針對(duì)空間冗余機(jī)械臂展開路徑規(guī)劃和避障控制算法研究，完成的主要工作如下：
　　首先，建立了空間冗余自由度機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，并在此基礎(chǔ)上完成了對(duì)冗余度、冗余空間及奇異狀態(tài)的數(shù)學(xué)推導(dǎo)及描述，同時(shí)采用雅可比矩陣，得到了冗余機(jī)械臂的雅可比矩陣偽

2、逆的求解算法及零空間運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)描述。在運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解模型基礎(chǔ)上，對(duì)冗余自由度機(jī)械臂工作空間中直線或圓弧運(yùn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行位姿插補(bǔ)，完成沿預(yù)定軌跡的末端運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。
　　其次，基于空間算子代數(shù)理論推導(dǎo)了空間冗余自由度機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型，并通過卡爾曼濾波及平滑方法完成了效率為O(n)的動(dòng)力學(xué)正逆解算法，同時(shí)得到了用空間算子描述的雅可比矩陣及其求解算法；隨后，引入PID控制方法對(duì)關(guān)節(jié)位置及速度進(jìn)行伺服跟蹤控制，完成關(guān)節(jié)空間的運(yùn)動(dòng)控制，同時(shí)引入分解速度

3、控制，將笛卡爾工作空間末端的運(yùn)動(dòng)映射到關(guān)節(jié)空間中關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，完成了對(duì)末端沿指定軌跡的跟蹤運(yùn)動(dòng)控制。
　　再次，通過描述障礙域，提出了障礙最小距離的計(jì)算模型，并定義避障點(diǎn)速度增益、齊次解的增益，利用冗余機(jī)械臂零空間自運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)建立了機(jī)械臂避障運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)引入并推導(dǎo)了基于虛擬速度及虛擬力方法的運(yùn)動(dòng)控制模型，完成了末端跟蹤預(yù)定軌跡的同時(shí)進(jìn)行避障運(yùn)動(dòng)。
　　最后，運(yùn)用Matlab/Simulink實(shí)現(xiàn)了冗余機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力