復(fù)雜約束下的串聯(lián)機械臂運動學(xué)控制方法研究.pdf

1、自上個世紀五十年代第一臺機器人出現(xiàn)以來，機器人技術(shù)就深受關(guān)注，而串聯(lián)機器人相比并聯(lián)機器人具有更大的可達空間和更優(yōu)良的可控性，在工業(yè)生產(chǎn)中更是得到了廣泛的應(yīng)用。隨著近二十年來計算機技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，機器人應(yīng)用不再僅限于工業(yè)現(xiàn)場或?qū)嶒炇?，逐漸進入深海作業(yè)、未知空間探索及家居服務(wù)等領(lǐng)域，而在這些新的應(yīng)用領(lǐng)域中，需要機器人具備更好的適應(yīng)性，能夠針對復(fù)雜環(huán)境的各種約束作出快速、準確的響應(yīng)，在復(fù)雜動態(tài)約束下的機器人控制也成為機器人技術(shù)面臨

2、的新挑戰(zhàn)。
　　本文以實驗室和正特集團聯(lián)合研制的ZT-010智能焊接機器人及實驗室自主研制的七關(guān)節(jié)乒乓球機器人作為載體，通過理論研究和實驗仿真驗證相結(jié)合的方式，系統(tǒng)深入地研究了在多時變約束下的串聯(lián)機械手的運動學(xué)控制、關(guān)節(jié)約束下的機械手二階逆運動學(xué)控制等問題，力求尋找在復(fù)雜動態(tài)約束下的串聯(lián)機械臂逆運動學(xué)控制算法，為機器人在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用提供有效的理論支持和技術(shù)方案。主要研究內(nèi)容如下:
　　1)提出時變廣義加權(quán)最小二乘算法求解

3、多時變動態(tài)約束下的冗余機械臂運動學(xué)問題。傳統(tǒng)的冗余機械臂控制方法無法對動態(tài)時變約束下的冗余機械臂進行運動學(xué)在線控制，針對此問題，本文在廣義加權(quán)最小二乘方法的基礎(chǔ)上，提出了時變廣義加權(quán)最小二乘法，可以實現(xiàn)多時變約束下的逆運動學(xué)控制。該方法利用虛擬關(guān)節(jié)的概念，通過非齊次時變映射將時變約束映射為帶有關(guān)節(jié)限位的虛擬關(guān)節(jié)約束，并通過對主任務(wù)的修正使虛擬關(guān)節(jié)空間到任務(wù)空間的映射為齊次映射，將原問題被轉(zhuǎn)化為帶有虛擬關(guān)節(jié)限位約束的機械臂逆運動學(xué)控制問題

4、，該問題可以在虛擬關(guān)節(jié)空間通過加權(quán)最小二乘法進行求解。并在應(yīng)用中取得了較好的效果。本文還對原廣義加權(quán)最小二乘法的權(quán)值設(shè)定方法進行了改進，避免了原權(quán)值設(shè)定法則中采用一步預(yù)測方法帶來的繁瑣計算。該算法在焊接機械臂ZT-010上進行了應(yīng)用，實現(xiàn)了時變焊槍姿態(tài)約束和關(guān)節(jié)限位約束下的焊接控制。
　　2)提出了關(guān)節(jié)約束下非冗余機械臂的二階逆運動學(xué)控制算法。雖然時變廣義加權(quán)最小二乘法可以處理包含關(guān)節(jié)位置的時變約束，但是無法處理關(guān)節(jié)速度、關(guān)節(jié)加速

5、度及關(guān)節(jié)力矩相關(guān)的約束。故本文提出非冗余機械臂的二階逆運動算法，在該算法下關(guān)節(jié)限位約束被轉(zhuǎn)化為具有時變閾值的關(guān)節(jié)速度約束，由于加權(quán)最小二乘法只能處理帶有固定閾值的關(guān)節(jié)約束，故本文提出了修正關(guān)節(jié)空間概念，通過建立真實關(guān)節(jié)到修正關(guān)節(jié)的時變映射，將時變閾值的關(guān)節(jié)速度約束轉(zhuǎn)化為固定閾值的修正關(guān)節(jié)速度約束，在修正關(guān)節(jié)空間通過加權(quán)最小二乘法，實現(xiàn)了對關(guān)節(jié)限位的避免。該控制律可以看作帶有關(guān)節(jié)速度鉗位項的加權(quán)最小二乘法，而關(guān)節(jié)速度鉗位項可以加速關(guān)節(jié)速度

6、遠離速度閾值，通過適當?shù)卣{(diào)整權(quán)重系數(shù)可以同時保證關(guān)節(jié)限位約束和關(guān)節(jié)速度約束。
　　3)提出關(guān)節(jié)約束下的冗余機械臂二階逆運動控制算法。在冗余機械臂的二階逆運動控制中容易出現(xiàn)關(guān)節(jié)自運動造成的不穩(wěn)定問題，這使帶約束的非冗余機械臂的控制算法無法直接應(yīng)用到冗余機械臂的二階運動學(xué)控制中。本文提出了處理冗余機械臂二階逆運動學(xué)問題的新思路:當機械臂末端運動時，保證齊次速度有界;而機械臂末端靜止時，齊次關(guān)節(jié)速度收斂。并提出利用帶有箝位項的加權(quán)最小二