仿人型乒乓球機械手運動學及動力學控制方法研究.pdf

1、仿人型乒乓球機械手是模擬人手臂結構設計制造、用來擊打乒乓球的機械手臂,具有6個以上自由度,可以靈活地實現絕大部分人手臂可以實現的動作。這類手臂是鏈式旋轉關節(jié)機械手,與傳統機械手臂相比,具有結構小巧、重量輕、速度快、控制靈活等特點。除了在手臂終端安裝乒乓球拍完成擊打乒乓球的任務以外,還可以安裝各種夾具、靈巧手指等機構,完成各種演示、抓取等任務。其控制方法具有可擴展性,容易應用于焊接,噴涂、教學等機械手臂的控制中。該控制方法的研究也為家庭服

2、務型機器人領域的機械手臂應用奠定堅實的基礎。
　　 本實驗室設計制造的仿人型乒乓球機械手臂為7自由度手臂,三個版本的機械手臂都可以在位置、速度和電流三種控制模式下運行。位置模式對應的控制指令為各關節(jié)角度轉換成的碼盤讀數,電機控制中的速度和力矩環(huán)由電機控制盒實現。速度模式也被稱為運動學控制,對應的控制指令為各關節(jié)角速度,力矩控制環(huán)由控制盒實現。由于直流伺服電機電流與力矩成正比關系,因此電流模式也稱為力矩模式,對應手臂動力學控制。該

3、模式對應的控制指令為電機電流,控制盒使實際電機電流跟蹤指令電流。本文的研究包含參數識別、運動學和動力學控制方法,主要研究內容包括:
　　 1)針對機械手臂加工、組裝等環(huán)節(jié)的不精確導致的手臂DH模型參數(也稱為運動學參數、幾何參數)不準問題,提出了一種使用Leica三維激光測量裝置、基于大量測量數據的參數標定方法.通過標定得到DH模型參數的修正值,大幅提高了手臂終端的三維空間定位精度。對于動力學模型參數的識別,提出了一種基于二次優(yōu)

4、化的動力學參數識別方法。并針對識別參數構成的慣性矩陣非正定的問題,提出一種特征值調整使慣性矩陣正定化的方法,使得最終獲得的動力學參數滿足慣性矩陣正定化的條件。同時,本文給出了基 Solidworks三維建模的動力學參數估計方法。
　　 2)提出一種針對點到點任務的冗余化方法,將傳統的非冗余6維點到點任務投影到低維空間實現,使障礙避免等次任務可以通過冗余控制方法實現。同時本文給出了低維投影的示例以及投影函數需滿足的數學條件。

5、>　　 3)針對冗余機械手臂多任務控制問題,提出一種擴展最小二乘方法,將關節(jié)限制以外的其他次任務轉化為虛擬關節(jié)的關節(jié)限制問題,再應用加權最小二乘方法解決。并通過直接設定權重矩陣的逆矩陣和一步預測的方法設定其中加權矩陣的權值,實現冗余機械手臂在較多次任務約束情形下的控制問題。只要同時到達限制閩值的次任務數目不多于手臂的冗余自由度數目,該方法可同時保證主任務跟蹤精度和多于手臂自由度數目的次任務的實現。
　　 4)給出了仿人型機械手

6、臂的動力學控制方法。針對動態(tài)LuGre摩擦力補償問題,提出一種使用簡化觀測器觀測鬃毛偏折狀態(tài)的方法,并結合自適應控制律,使用L,yapunov方法分析了使用簡化觀測器的自適應控制的穩(wěn)定性。單關節(jié)和多關節(jié)情形下的實驗結果證明了該方法在動態(tài)摩擦力補償中的優(yōu)越性。
　　 5)提出了一種適用于動力學參數中含有一定不確定性的機械手臂的碰撞檢測算法。該算法基于動量守恒推導而出,構造一個擾動觀測器觀測手臂受到外部作用力的大小,并根據該觀測器的