雙臂機(jī)器人系統(tǒng)模型辨識(shí)及協(xié)同控制理論研究

發(fā)布時(shí)間：2020-06-12 09:56

【摘要】：近年來,在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛研究和推動(dòng)下,機(jī)器人技術(shù)作為最受期待的技術(shù)之一得到快速發(fā)展。雙臂或多臂機(jī)器人協(xié)調(diào)控制是機(jī)器人研究的重要方向內(nèi)容,也是亟需解決的關(guān)鍵問題。而精確、有效的機(jī)器人模型是實(shí)現(xiàn)雙臂機(jī)器人靈巧、柔順和協(xié)調(diào)操作的必要條件。通過機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的精確建模,可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端執(zhí)行器到機(jī)器人關(guān)節(jié)空間運(yùn)動(dòng)的有效轉(zhuǎn)換,在機(jī)器人力/位置控制、計(jì)算力矩控制、阻抗控制等先進(jìn)控制中得到應(yīng)用。本課題一方面基于Denavit Hartenberg(DH)方法和牛頓-歐拉方法,建立Baxter機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和動(dòng)力學(xué)模型,研究參數(shù)未知下情況下機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)辨識(shí)問題。另一方面,基于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模方法,研究雙臂剛性抓取物體的控制問題,并重點(diǎn)解決如下關(guān)鍵問題:利用有限時(shí)間收斂參數(shù)辨識(shí)器和模型降階方法解決牛頓歐拉回歸矩陣非滿秩問題,實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)真實(shí)值的有效估計(jì)。利用障礙李雅普諾夫函數(shù)設(shè)計(jì)雙臂機(jī)器人控制器,實(shí)現(xiàn)雙臂機(jī)器人的預(yù)設(shè)瞬態(tài)性能控制。利用切換函數(shù)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)切換控制器,將傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的半全局穩(wěn)定拓展為全局穩(wěn)定。本課題將針對(duì)雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)控制存在的問題,對(duì)控制過程中運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)建模、未知模型參數(shù)、模型不確定性和協(xié)調(diào)控制等問題開展研究,建立準(zhǔn)確的機(jī)器人系統(tǒng)模型,開發(fā)穩(wěn)定而高效的協(xié)調(diào)控制技術(shù),實(shí)現(xiàn)安全、高效的雙臂機(jī)器人協(xié)調(diào)控制。具體來說,本課題主要包括如下三個(gè)方面的研究?jī)?nèi)容。一、精確有效的機(jī)器人系統(tǒng)參數(shù)對(duì)魯棒、穩(wěn)定的機(jī)器人控制具有十分重要的作用。我們首先基于Newton-Euler方法與DH方法分別建立機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并針對(duì)機(jī)械臂系統(tǒng)參數(shù)未知情況,設(shè)計(jì)一種有限時(shí)間收斂的參數(shù)估計(jì)算法,使辨識(shí)參數(shù)可以快速收斂到真實(shí)值�？紤]到Newton-Euler動(dòng)力學(xué)回歸矩陣存在非滿秩的情況下會(huì)導(dǎo)致參數(shù)估計(jì)不滿足持續(xù)激勵(lì)條件。我們采用一種模型降階方法保證回歸矩陣的滿秩性,從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人動(dòng)力學(xué)參數(shù)的有效估計(jì)。通過輔助濾波矩陣設(shè)計(jì)、有限時(shí)間收斂辨識(shí)等算法設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)辨識(shí)器,實(shí)現(xiàn)快速、精確的系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí)。二、當(dāng)雙臂抓取和操作物體時(shí),精確的瞬態(tài)控制可以提高機(jī)械臂的控制性能,使得被抓取物體不被破壞。在本文中,我們針對(duì)雙臂機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)態(tài)未知情況,提出了一種預(yù)設(shè)性能的雙臂機(jī)器人跟蹤控制方法,通過設(shè)計(jì)瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)約束函數(shù),利用誤差轉(zhuǎn)換將該瞬態(tài)函數(shù)集成到控制器中來嚴(yán)格保證期望的瞬態(tài)性能,將雙臂機(jī)器人瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)限定在期望的范圍。另一方面,為了解決系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型未知情況下的雙臂機(jī)器人控制問題,我們利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的萬能逼近特性來學(xué)習(xí)雙臂機(jī)器人的未知?jiǎng)討B(tài)。然而如何確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)緊集的大小仍然是一個(gè)難題。為了解決這一問題,我們嘗試將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由半全局穩(wěn)定拓展為全局一致最終有界穩(wěn)定,利用切換函數(shù)設(shè)計(jì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)切換控制器,實(shí)現(xiàn)未知?jiǎng)討B(tài)下全局穩(wěn)定的雙臂機(jī)器人控制。三、在雙臂機(jī)器人抓取物體時(shí),雙臂與物體之間存在強(qiáng)非線性及力耦合。在這一條件下,考慮未知運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)及動(dòng)力學(xué)特性的雙臂機(jī)器人控制是一個(gè)具有挑戰(zhàn)的課題。為解決這一問題,我們提出了雅可比矩陣逼近方法解決未知運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)的控制問題,同時(shí)構(gòu)造去一種中心化的自適應(yīng)模糊邏輯系統(tǒng)補(bǔ)償未知雙機(jī)械臂-物體動(dòng)力學(xué)特性。為了保證估計(jì)參數(shù)在有限時(shí)間內(nèi)收斂到真實(shí)值,構(gòu)造了一種有限時(shí)間收斂的自適應(yīng)參數(shù)估計(jì)框架,使得被估計(jì)參數(shù)可以快速收斂到一個(gè)以真值為中心的小鄰域內(nèi)。同時(shí)為進(jìn)一步放松對(duì)持續(xù)激勵(lì)條件的要求,采用一種部分持續(xù)激勵(lì)條件,并證明基于高斯基函數(shù)的模糊隸屬度函數(shù)滿足這一條件,保證模糊系統(tǒng)權(quán)值的收斂性,使得設(shè)計(jì)者可以直接使用已經(jīng)訓(xùn)練好的權(quán)值參數(shù)而不需要重新訓(xùn)練。
【圖文】：

機(jī)器人