欠驱动2R机械臂模糊控制方法研究

论文摘要

欠驱动机械臂是一类含有被动关节,控制输入数目少于系统自由度数目,能用较少的驱动装置完成复杂任务的多连杆机械系统。由于驱动器的减少,欠驱动机械臂具有重量轻、成本低、能耗低等众多优点。但这类系统同时具有二阶非完整约束特性,相比于全驱动机器人,控制上的难度大大增加。欠驱动机器人是当前机器人研究领域中的前沿课题。本论文以欠驱动2R平面机器人为研究对象,从智能控制的角度出发,运用模糊控制方法对欠驱动机器人的控制问题进行研究。从实验上实现了对欠驱动2R机器人的控制,从而验证了控制算法的可行性及有效性。首先,结合Lagrange方程建立了欠驱动2R机器人关节空间的动力学模型。在被动关节的两种安装位置下,分析了关节间动力耦合特性,并给出动力耦合指标的数值对比结果。通过分析被动关节的动力学方程,证明了欠驱动机器人具有非完整约束特性。其次,运用模糊控制理论,研究了欠驱动2R机器人被动关节的位置控制问题,以及机械臂末端的轨迹跟踪问题。利用关节间的动力耦合特性分别总结了模糊控制规则,设计了对应的模糊控制器。并对轨迹跟踪开始前,机械臂末端初速度的确定进行了讨论。然后,分别设计了基于PMAC卡和基于DSP控制板的欠驱动机器人实验控制系统,解决了设备之间通讯、高精度定时器设定等技术难题,编制了实验控制界面,并开发了实验数据分析软件。为深入开展欠驱动机器人的实验研究提供了软件和硬件平台。最后,利用搭建的实验平台,完成了对机器人被动关节位置的控制,以及操作臂末端对多种预定轨迹的精确跟踪。实验数据表明,本文提出的欠驱动2R机器人模糊控制方法具备较高的控制精度,表现出良好的鲁棒特性;并且实时控制不依赖于动力学模型,算法简单,实时性好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 课题研究的意义
• 1.3 欠驱动机器人控制技术研究现状
• 1.3.1 国外研究简介
• 1.3.2 国内研究简介
• 1.4 课题主要研究内容
• 第2章 欠驱动2R机器人模型分析
• 2.1 引言
• 2.2 机器人运动学模型
• 2.3 机器人动力学模型
• 2.4 动力耦合特性分析
• 2.5 非完整约束特性分析
• 2.5.1 非完整性的判别
• 2.5.2 非完整性的证明
• 2.6 本章小结
• 第3章 模糊控制方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 模糊控制基本原理
• 3.2.1 模糊控制的基本思想
• 3.2.2 模糊控制器的组成和设计方法
• 3.2.3 模糊控制器参数的选择
• 3.3 关节位置的模糊控制
• 3.3.1 关节位置控制方法
• 3.3.2 模糊控制器设计
• 3.4 末端轨迹的模糊控制
• 3.4.1 轨迹的路径坐标
• 3.4.2 模糊控制器设计
• 3.4.3 末端初速度的确定
• 3.5 本章小结
• 第4章 控制系统设计
• 4.1 引言
• 4.2 实验设备
• 4.2.1 PMAC运动控制卡
• 4.2.2 工业控制机IPC
• 4.2.3 伺服电机与减速器
• 4.2.4 电磁制动器
• 4.2.5 光电编码器
• 4.3 基于PMAC卡的实验控制系统设计
• 4.3.1 PMAC控制系统结构
• 4.3.2 PMAC与上位PC的通讯
• 4.3.3 WINDOWS下高精度定时器的实现
• 4.4 基于DSP技术的实验控制系统设计
• 4.4.1 DSP控制系统结构
• 4.4.2 反馈硬件接口电路
• 4.4.3 通信单元
• 4.4.4 实验数据分析软件
• 4.5 本章小结
• 第5章 欠驱动2R机器人实验研究
• 5.1 引言
• 5.2 关节位置控制实验
• 5.2.1 实验控制流程
• 5.2.2 被动关节的阶跃响应
• 5.2.3 被动关节的位置控制
• 5.2.4 鲁棒特性分析
• 5.3 末端轨迹跟踪实验
• 5.3.1 DSP控制器工作流程
• 5.3.2 直线轨迹跟踪
• 5.3.3 圆弧轨迹跟踪
• 5.3.4 复杂轨迹跟踪
• 5.3.5 鲁棒特性分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间所发表的学术论文
• 致谢