變幾何機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制.pdf

1、變結(jié)構(gòu)機(jī)械臂Variable Geometry Truss(VGT)是一種具有很高剛度和靈活性的高冗余機(jī)械臂。由于其靈活和高自由度，VGT機(jī)械臂可以完成一系列傳統(tǒng)機(jī)械臂不能完成的任務(wù)。VGT在水下操作，空間操作和工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的用途，有著重要的研究意義。因此，本文研究一種具有鏡像對(duì)稱結(jié)構(gòu)的八面體機(jī)械結(jié)構(gòu)的高冗余機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)控制問(wèn)題。
　　針對(duì)根據(jù)在實(shí)際控制時(shí)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的定位需求，VGT的快速逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)運(yùn)算是非常重要和基

2、礎(chǔ)的問(wèn)題。然而，由于VGT約束方程的非線性和每節(jié)機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)方向和位置的耦合，使得VGT逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的快速求解變得十分困難。所以，為了實(shí)現(xiàn)VGT機(jī)械臂的實(shí)時(shí)定位，本文提出一種解析的多節(jié)VGT逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。由于需要得到逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的解析解，本方法從揭示變結(jié)構(gòu)機(jī)械臂的幾何對(duì)稱特性和簡(jiǎn)化計(jì)算開(kāi)始，提出一種與傳統(tǒng)歐拉角和 D-H參數(shù)不同的旋轉(zhuǎn)矩陣表示方法。隨后，本文基于新的旋轉(zhuǎn)矩陣的表示方式提出一種快速準(zhǔn)確的逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)算法。該方法利用鏡像變換的幾何特

3、性與兩個(gè)輔助坐標(biāo)系，將多節(jié)變結(jié)構(gòu)機(jī)械臂逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)的非線性約束方程組拆分和簡(jiǎn)化為多個(gè)解析可解的方程。本文提出的方法相對(duì)于廣泛應(yīng)用的雅可比方法在計(jì)算速度和準(zhǔn)確性上有大幅度的提高。在實(shí)際使用中，算法的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性得到驗(yàn)證。
　　同時(shí)在變結(jié)構(gòu)機(jī)械臂中，由于裝配誤差，作動(dòng)器定位精度不高以及結(jié)構(gòu)彈性等因素的影響，實(shí)際的運(yùn)動(dòng)學(xué)與理論推導(dǎo)的數(shù)學(xué)模型會(huì)有著比較大的差別。這種模型誤差是影響變結(jié)構(gòu)機(jī)械臂定位精度的主要因素。為了減小結(jié)構(gòu)誤差帶來(lái)的定位精

4、度的降低，本文提出一種基于離散控制和的誤差調(diào)節(jié)算法。首先，本文將誤差調(diào)節(jié)控制轉(zhuǎn)換為離散控制系統(tǒng)的形式，然后設(shè)計(jì)了一種補(bǔ)償控制算法。補(bǔ)償算法根據(jù)安裝在機(jī)械臂頭部的攝像機(jī)測(cè)量頭部與目標(biāo)位置和方向的差值，計(jì)算出作動(dòng)器對(duì)誤差的補(bǔ)償量，經(jīng)過(guò)多次調(diào)節(jié)最終使得頭部對(duì)準(zhǔn)期望的目標(biāo)。這種誤差補(bǔ)償算法在實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中可以抵消模型不確定的誤差，實(shí)現(xiàn)精確定位。
　　最后，本文研究了VGT的多體動(dòng)力學(xué)建模和控制。由于VGT結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，其動(dòng)力學(xué)學(xué)建模面臨著

5、較一般連桿機(jī)械臂更大的困難。所以為了滿足動(dòng)力學(xué)控制的需求，研究VGT動(dòng)力學(xué)和控制是必不可少的。本文根據(jù)拉格朗日動(dòng)力學(xué)，結(jié)合Simulink中simMechanics模塊，對(duì) VGT的動(dòng)力學(xué)模型經(jīng)行建模和控制。最后，本文設(shè)計(jì)了一種基于PD控制律的速度控制系統(tǒng)，并通過(guò)SimMechanics仿真驗(yàn)證其可行性，為未來(lái)更加完善的動(dòng)力學(xué)和控制研究打下基礎(chǔ)。
　　實(shí)驗(yàn)和仿真充分驗(yàn)證的本文提出的方法?？焖倌嫦蜻\(yùn)動(dòng)學(xué)方法和誤差補(bǔ)償算法均被運(yùn)用在實(shí)