机器人宇航员头部结构设计及其目标追踪控制方法研究

论文摘要

机器人宇航员是机器人技术与航天技术的结合,也是未来空间技术的重要发展方向之一,它将代替人类进入太空执行各种维护任务。本文来自于哈尔滨工业大学机器人技术与系统国家重点实验室自主项目“机器人宇航员”,完成了机器人宇航员三自由度头部的结构设计,并研究了目标跟踪控制方法,它将为机器人宇航员提供主动视觉。本文首先根据拟定的操作任务给出了设计指标和设计准则,并重点介绍了机械系统的结构,特别是通过调整环节的设计减小了差分传动结构的间隙,使传动更加平稳,末端定位更加准确。简要介绍了电气系统和视觉系统及其与机械系统的集成。所研制的机器人宇航员头部重约1.2kg,体积与人类头部相近,具有三个自由度,可以实现俯仰、侧摆和回转运动。在完成机械结构设计的基础上,本文研究了系统的正运动学,结合视觉信息确定目标的空间位置,并根据有障碍和无障碍两种情况分类给出了逆运动学唯一的解析解表达式。借鉴Paul规划的思想提出了四次多项式——直线规划方法,它使得执行机构能够充分利用前一个规划周期的速度性能,在每一个规划节点上能够准确到达期望位置,跟踪过程具有连续性和稳定性。针对系统建模的不准确性和运动目标的不确定性,本文介绍了积分滑模控制算法,这种方法具有高精确性和强鲁棒性等特点。同时提出了比例切换函数法抑制滑模控制的抖振,分析了参数对于跟踪精度和抖振的影响。MATLAB/Simulink仿真结果表明这种方法可以有效削弱滑模运动的抖振,并验证了参数选取对结果的影响,为实验参数的整定提供了依据。最后,以本文研制的机器人宇航员三自由度头部为实验平台进行了关节位置控制实验和目标跟踪实验。实验验证了本文提出的轨迹规划和动态控制方法的有效性。采用双目中心对中目标、基于位置控制的伺服跟踪策略,实现了头部对操作空间内一定速度无规则运动的乒乓球的跟踪。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 机器人宇航员综述
• 1.2.1 机器人宇航员研究现状
• 1.2.2 仿人形机器人头部研究现状
• 1.3 目标追踪运动规划综述
• 1.3.1 轨迹规划研究现状
• 1.3.2 冗余机器人避障运动学规划研究现状
• 1.4 滑模变结构控制综述
• 1.4.1 滑模变结构控制研究现状
• 1.4.2 抖振抑制研究现状
• 1.5 课题的来源及主要研究内容
• 1.5.1 课题的来源与意义
• 1.5.2 课题的主要研究内容
• 第2章 机器人宇航员头部设计
• 2.1 引言
• 2.2 任务综述与设计要求
• 2.3 机械结构设计
• 2.3.1 基关节结构设计
• 2.3.2 回转关节结构设计
• 2.3.3 传动系统
• 2.3.4 限位设计
• 2.3.5 与其他系统的接口设计
• 2.4 电气系统结构
• 2.5 视觉系统
• 2.6 本章小结
• 第3章 机器人宇航员头部运动学研究
• 3.1 引言
• 3.2 机器人宇航员运动学建模
• 3.2.1 正运动学建模
• 3.2.2 无障碍时的逆运动学建模
• 3.2.3 有障碍时的逆运动学建模
• 3.2.4 逆运动学数值仿真
• 3.3 关节运动学建模
• 3.4 目标追踪轨迹规划
• 3.4.1 Paul四次多项式规划简介
• 3.4.2 四次多项式——直线规划
• 3.5 本章小结
• 第4章 机器人宇航员头部动态控制研究与仿真
• 4.1 引言
• 4.2 动力学建模
• 4.2.1 头部的连杆动力学
• 4.2.2 关节动力学建模
• 4.3 控制模型的建立
• 4.3.1 控制对象模型
• 4.3.2 仿真模型搭建
• 4.4 积分滑模控制
• 4.4.1 计算力矩法
• 4.4.2 存在外界干扰下的积分滑模控制
• 4.5 抖振抑制研究
• 4.5.1 抖振产生的原因及危害
• 4.5.2 边界层法
• 4.5.3 比例切换函数法
• 4.6 本章小结
• 第5章 动态控制与目标追踪实验
• 5.1 引言
• 5.2 关节位置控制实验
• 5.2.1 跟踪性能实验
• 5.2.2 抗干扰性实验
• 5.2.3 抖振抑制实验
• 5.3 动态目标追踪实验
• 5.3.1 实验任务与实验系统
• 5.3.2 目标追踪控制策略
• 5.3.3 实验程序
• 5.3.4 实验结果与分析
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢