發(fā)布時(shí)間：2020-04-02 07:27

【摘要】：連續(xù)型機(jī)械臂擁有剛性機(jī)械臂無法比擬的柔順性,在許多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著越來越重要的作用,但與此同時(shí),連續(xù)型機(jī)械臂的控制問題成為其相關(guān)技術(shù)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文主要圍繞采用氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的氣動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂,進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計(jì),并搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái);進(jìn)一步地,針對(duì)強(qiáng)非線性控制問題,考慮基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法,開展氣動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂的無模型控制策略研究。首先,針對(duì)氣動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂的柔順抓捕任務(wù)需求,分析連續(xù)體生物的仿生機(jī)理,并依據(jù)肌肉性靜水骨骼原理確定機(jī)械臂的動(dòng)作方式、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的種類與裝配位置;其次,在確定所用氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器的合理布局之后對(duì)其工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析并確定參數(shù);在完成氣管與電氣布線之后可使氣動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂達(dá)成靈活彎曲運(yùn)動(dòng)的目的。最終,在完成氣動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂的總體布局之后,針對(duì)機(jī)械臂動(dòng)作快速性與穩(wěn)定性的要求,分析氣動(dòng)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的組成與工作原理,對(duì)氣動(dòng)元件和控制元器件進(jìn)行合理選型,完成硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建工作。在建立合理的框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,考慮較為精確的氣動(dòng)柔性驅(qū)動(dòng)器模型,對(duì)單氣路通道進(jìn)行控制,通過數(shù)值仿真驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性并為控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供思路。進(jìn)一步地,針對(duì)含有多氣路通道的氣動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂超冗余自由度的問題,需要設(shè)計(jì)合理的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型表達(dá)關(guān)節(jié)空間與任務(wù)空間映射關(guān)系;針對(duì)氣動(dòng)連續(xù)型機(jī)械臂在處于豎直狀態(tài)下的齊次轉(zhuǎn)移矩陣奇異問題,根據(jù)模式形狀函數(shù)建立模態(tài)運(yùn)動(dòng)學(xué)。針對(duì)連續(xù)型機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型中含有復(fù)雜項(xiàng)的積分表達(dá)式所導(dǎo)致的計(jì)算量過大問題,采用了基于遞歸計(jì)算的方法簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型表達(dá)式以提高計(jì)算效率。針對(duì)系統(tǒng)模型存在不確定性、同時(shí)伴有強(qiáng)非線性問題,為了能夠?qū)�氣�?dòng)連續(xù)型機(jī)械臂進(jìn)行更好地形狀控制,主要設(shè)計(jì)了無模型自適應(yīng)滑模控制器(Model-free adaptive sliding mode controller,MFASMC);首先針對(duì)拉格朗日型動(dòng)力學(xué)模型,根據(jù)廣義Lipschitz條件對(duì)該模型進(jìn)行全格式(同時(shí)考慮I/O變化量)動(dòng)態(tài)線性化,其次,考慮相應(yīng)的準(zhǔn)則函數(shù),得到無模型自適應(yīng)控制器(Model-free adaptive controller,MFAC),并依據(jù)修正的投影算法估計(jì)其中未知的偽偏導(dǎo)數(shù)矩陣,再次,為加快誤差的收斂速度,設(shè)計(jì)滑�？刂破�(Sliding mode controller,SMC)共同作用于被控對(duì)象,通過數(shù)值仿真觀察控制算法的效果,并與PD控制進(jìn)行對(duì)比,最終通過硬件實(shí)驗(yàn)平臺(tái)完成柔順抓捕任務(wù),驗(yàn)證控制策略的有效性。
【圖文】：

d) OctArmIV e) OctArmV f) OctArmVI圖 1-1 Clemson 大學(xué) Walker 團(tuán)隊(duì)連續(xù)型機(jī)器人[11-16] Istituto Italiano di Tecnologia 大學(xué)的 Kang 教授研制了模塊氣動(dòng)肌肉驅(qū)動(dòng)器作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，共含有 6 段，，總長(zhǎng)為 670m策略采用分級(jí)控制將原型機(jī)的期望動(dòng)作與各驅(qū)動(dòng)器的輸入

圖 1-2 IIT 大學(xué) Kang 教授連續(xù)型機(jī)械臂[17動(dòng)化公司于2010年研制了仿象鼻人機(jī)A)[18]，如圖 1-3 所示，總長(zhǎng)度為 750由 3D 打印技術(shù)制成，材料為聚酰胺置在工廠環(huán)境中，其靈活性與安全
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TP241

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本文編號(hào)：2611648