柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)軌跡跟蹤控制研究.pdf

1、與傳統(tǒng)的關(guān)節(jié)和連桿均為剛性的機(jī)器人相比，柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕和能耗低等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于業(yè)界。本文基于奇異攝動(dòng)理論和積分流概念，深入研究了柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人的輸出反饋?zhàn)赃m應(yīng)軌跡跟蹤控制方法，研究成果將為柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人的高性能實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論依據(jù)。
　　首先，根據(jù)Spong提出的柔性關(guān)節(jié)簡(jiǎn)化模型，利用拉格朗日方程推導(dǎo)出柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，再通過引入奇異攝動(dòng)理論和積分流概念將其解耦成兩個(gè)子系統(tǒng)，即慢子系統(tǒng)和快子

2、系統(tǒng)。慢子系統(tǒng)表示柔性關(guān)機(jī)機(jī)器人系統(tǒng)模型中的剛性部分，快子系統(tǒng)是用來描述關(guān)節(jié)處的柔性特性。從而，柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人的控制器設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)獒槍?duì)兩個(gè)子系統(tǒng)的控制器設(shè)計(jì)。
　　其次，針對(duì)柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人系統(tǒng)模型中存在參數(shù)不確定性和上界未知的外部擾動(dòng)，設(shè)計(jì)了一種基于改進(jìn)參數(shù)線性化表達(dá)式的魯棒自適應(yīng)控制器作為慢子控制律。同時(shí)，通過對(duì)快子系統(tǒng)方程進(jìn)行變形，將其轉(zhuǎn)變成典型的目標(biāo)跟蹤類問題，從而使快子控制律的設(shè)計(jì)更加靈活。此外，為實(shí)現(xiàn)僅需位置反饋的輸出反饋

3、控制，在快、慢子系統(tǒng)中均引入一種近似微分濾波器來得到偽速度誤差信號(hào)以消除對(duì)速度的測(cè)量。
　　然后，針對(duì)不同(強(qiáng)或弱)柔性關(guān)節(jié)系統(tǒng)，本文提出了一種有界自適應(yīng)控制器來解決柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人中存在參數(shù)不確定性和輸出力矩有界的問題?？刂坡傻脑O(shè)計(jì)中，一類飽和函數(shù)被用來確保關(guān)節(jié)執(zhí)行器輸出力矩有界，一種投影自適應(yīng)控制律用來克服慢子控制律中前饋項(xiàng)的參數(shù)不確定性。同時(shí)，為使整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)僅需位置反饋的輸出反饋控制，可分別在慢子系統(tǒng)和快子系統(tǒng)中引入

4、線性濾波器和高增益觀測(cè)器來得到無法直接測(cè)量狀態(tài)量的估計(jì)值。更為重要的是，通過奇異攝動(dòng)理論和積分流概念推導(dǎo)出校正控制律，實(shí)現(xiàn)了對(duì)強(qiáng)柔性系統(tǒng)的柔性補(bǔ)償，使得奇異攝動(dòng)方法也能適用于強(qiáng)柔性機(jī)器人系統(tǒng)。
　　最后，對(duì)于柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人的穩(wěn)定性分析，考慮到快、慢子系統(tǒng)的穩(wěn)定性無法直接保證整個(gè)復(fù)合控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此本文針對(duì)整個(gè)奇異攝動(dòng)系統(tǒng)給出兩種不同的穩(wěn)定性分析思路。此外，通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)提出的兩類控制算法分別進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，本文提出魯棒