一类二连杆欠驱动机械臂运动控制方法研究

论文摘要

欠驱动机械系统是一类构成系统的广义坐标维数多于控制输入维数的非线性系统。常规的光滑反馈控制策略对这类系统是无效的,其运动控制比一般的全驱动机械系统困难得多,难以找到一种通用的、效果理想的控制方法。因此,欠驱动机械系统的控制问题已经引起广大学者的高度重视和广泛关注。本文研究的对象是一种两关节平面欠驱动机械臂,它的第1关节(肩部关节)有一个驱动器(电机),而第2个关节(肘部关节)则是自由的,因此属于一种典型的欠驱动机械系统。本文分别从垂直平面和水平平面的运动角度出发,研究了欠驱动机械系统的控制方法。全文的主要工作如下：首先,利用拉格朗日动力学原理,从系统能量的角度出发构建了欠驱动机械臂系统的动力学模型,并将其转化为矩阵的表达形式,为进一步研究欠驱动机械臂的位置控制打下了基础。其次,从垂直平面运动的角度出发研究欠驱动机械臂的运动控制,其运动过程分为摇起和平衡二种运动状态。在摇起过程中,设计部分反馈线性化控制器,在平衡过程中,设计LQR控制器,从而实现了整个运动过程的全局稳定。然后,从水平平面运动的角度出发研究欠驱动机械臂的运动控制,以滑模变结构控制理论为基础,采用分层滑模控制思想,将系统模型分成代表非驱动关节和驱动关节的两个子系统,设计了系统总的滑模函数和欠驱动机械臂分层滑模控制器,并在理论上证明了闭环系统在李雅普诺夫意义下的稳定性。最后,为了提高控制器的抗干扰能力,加快整个系统响应的收敛速度,将分层滑模与反步设计法的控制策略相结合,设计了自适应分层反步滑模控制器。该控制器能够实现目标位置的快速定点控制,同时系统的不确定性因素造成的稳态误差可以得到有效削弱,从而系统具有很好的抗干扰性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 欠驱动机械系统概述
• 1.2 欠驱动机械系统研究现状
• 1.3 研究的意义和目的
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 欠驱动机械臂动力学模型
• 2.1 概述
• 2.2 动力学模型
• 2.2.1 拉格朗日动力学
• 2.2.2 建立动力学模型
• 2.3 本章小结
• 第3章 欠驱动机械臂部分反馈线性化控制
• 3.1 部分反馈线性化与LQR原理简介
• 3.2 基于部分反馈线性化设计摇起控制器
• 3.3 基于LQR方法设计平衡控制器
• 3.4 转换开关的设计
• 3.5 仿真研究与分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 欠驱动机械臂分层滑模控制
• 4.1 滑模变结构控制的基本理论
• 4.1.1 滑模变结构控制的基本概念
• 4.1.2 滑模变结构控制原理
• 4.2 分层滑模控制
• 4.2.1 分层滑模控制基本原理
• 4.2.2 各层滑模面渐近稳定性证明
• 4.3 欠驱动机械臂分层滑模控制器设计
• 4.4 仿真研究与分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 欠驱动机械臂分层反步滑模控制
• 5.1 Backstepping的基本思想
• 5.2 自适应分层反步滑模控制基本原理
• 5.3 自适应分层反步滑模控制器设计
• 5.4 仿真研究与分析
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢