绳驱连续型冗余自由度机器人控制研究

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连续型机器人是依据仿生学原理开发的新型机器人，在空间探测、核电维修、紧急救援等方面具有广阔的应用前景，是目前机器人研究领域的热点。机器人依靠仿生皮肤和仿生躯干实现运动，对于含有刚性脊柱的连续型机器人，其运动能力主要依靠仿生躯干提供。本文依据生物躯干的超冗余特性和生物弹性结构开发出了可作为连续型机器人躯干的新型仿生机构，并通过动力学优化和控制率设计，保证了其优异的运动特性。
　　利用仿生设计方法，该仿生机构采用绳驱超冗余度机构，由六个串联的万向节和六组并联弹簧组成，共12个自由度，整个模型由18根绳线驱动。在动力学模型中绳线和弹簧简化为外界作用力，利用D-H参数描述机构的位姿，通过力系简化减少作用力数目，并求得绳线和弹簧作用力与等效关节力矩之间的雅可比矩阵。依据拉格朗日方程建立该机构的动力学方程，并分析其动力学特性，验证了机构设计的合理性。
　　仿生机构的超冗余特性和冗余驱动特性，决定了其运动速度从操作空间向关节空间、驱动力从关节空间向驱动空间转换时均存在多解的情况，因此运动学和动力学层面存在明显的可优化特性。使用待优化目标，利用梯度法和零空间法可以选取合理的雅可比矩阵零空间向量，从而实现机构在运动过程中的速度优化和驱动力优化。由于存在两组欠定关系，该系统的可优化能力较强，可以实现多目标优化。
　　控制系统用于维持机构动作过程的稳定性，现阶段机器人普遍使用的控制方式为运动 PD控制，不利于复杂机构的运动实现。本文利用计算力矩控制和动力学优化方法设计出了针对该连连续型冗余自由度机器人的优化控制率，并利用李雅普诺夫函数证明了其稳定性。仿真验证表明，相比于运动 PD控制，工作于该控制率下的系统具有较强的稳定性和信号跟踪能力，且能够处理驱动力超限的问题。
　　本文利用动力学模型和优化控制率编写控制程序，通过 SIMULINK和ADAMS进行联合仿真验证了该机构对于生物运动的模拟能力。仿真结果证明该机构能够很好地模拟机器人的平面运动和三维空间运动，同时具有极强的动力学优化能力，适合作为连续型机器人的仿生脊柱。

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作者
谷海宇;
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作者单位

哈尔滨工业大学;

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授予单位哈尔滨工业大学;
学科航空宇航科学与技术
授予学位硕士
导师姓名魏承;
年度 2017
页码
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类智能机器人;
关键词
绳驱机器人; 冗余自由度; 雅可比矩阵; 动力学优化; 仿生机构;

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