【摘要】：體操機(jī)器人是一種自身驅(qū)動數(shù)目小于自由度數(shù)的典型欠驅(qū)動系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有復(fù)雜強(qiáng)耦合的內(nèi)部特性,由此導(dǎo)致難以進(jìn)行反饋線性化的非完整約束,該系統(tǒng)是驗證非線性控制方法的理想模型。欠驅(qū)動系統(tǒng)在生產(chǎn)生活中廣泛存在,例如空間機(jī)器人、移動機(jī)器人和四旋翼飛行器等等。本文主要研究了體操機(jī)器人的倒立平衡和換杠飛躍兩種動作。倒立平衡是體操機(jī)器人擺起到豎直向上不穩(wěn)定平衡點并保持平衡;換杠飛躍是機(jī)器人在兩根平行單杠之間飛躍的過程,即體操機(jī)器人在其中一個單杠上擺起到合適的初始狀態(tài)后,松開手爪,在空中進(jìn)行姿態(tài)變換之后,以合適的姿勢抓取另外一根與之平行的單杠。圍繞體操機(jī)器人的兩個主要動作,本文的主要工作如下:首先,將體操機(jī)器人的運動劃分為抓杠運動和離杠運動,并對這兩種運動進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模。其中,采用拉格朗日方程對抓杠運動進(jìn)行了動力學(xué)建模;而在離杠運動過程中由于體操機(jī)器人在空間未受到外力矩作用,據(jù)此推導(dǎo)了角動量守恒方程。上述模型在MATLAB/Simulink中進(jìn)行了驗證。其次,提出了部分反饋線性化與李雅普諾夫控制器切換的體操機(jī)器人分段擺起控制策略,設(shè)計了基于LQR算法的倒立平衡控制器,并對換杠飛躍過程進(jìn)行了運動規(guī)劃。該分段控制器在起始階段利用部分反饋線性化使得機(jī)器人的機(jī)械能快速累積,當(dāng)達(dá)到閾值范圍內(nèi)切換到李雅譜諾夫控制器,使體操機(jī)器人獲得倒立平衡與換杠所需的運動狀態(tài)。在此基礎(chǔ)上,利用LQR算法實現(xiàn)了體操機(jī)器人的倒立平衡控制。同時,獲得了換杠動作的初始條件,實現(xiàn)了體操機(jī)器人的換杠飛躍。該算法通過MATLAB/Adams進(jìn)行了聯(lián)合仿真,驗證了控制及規(guī)劃效果。再次,對體操機(jī)器人的杠上理想動力學(xué)方程進(jìn)行了修正,在其中加入摩擦項,并利用最小二乘法進(jìn)行了參數(shù)辨識,該方法提高了參數(shù)精度。最后,搭建了所研制體操機(jī)器人的軟件框架。將前述控制方法應(yīng)用到實物平臺上。實驗結(jié)果表明,所設(shè)計的控制方法能夠?qū)崿F(xiàn)擺起、倒立平衡控制,并且具有較好的魯棒性。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP242
【圖文】：

（3）欠驅(qū)動體操機(jī)器人控制理論的研究，為機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下的出了一種新的思路。研究這種欠驅(qū)動機(jī)器人的動力學(xué)對于研究其他復(fù)雜欠械系統(tǒng)和非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)的動力學(xué)具有一定的理論意義。而且欠驅(qū)動機(jī)在生活中廣泛使用，對于欠驅(qū)動系統(tǒng)的研究可以應(yīng)用于類似的欠驅(qū)動系統(tǒng)欠驅(qū)動機(jī)械的研究和開發(fā)。本文研究了體操機(jī)器人的擺起、倒立平衡和換杠飛躍運動，分別對各進(jìn)行動力學(xué)建模，并設(shè)計了相應(yīng)的控制器，最后搭建了體操機(jī)器人物理實驗并完成了控制算法的移植與驗證。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.2.1 國外欠驅(qū)動體操機(jī)器人的研究現(xiàn)狀對體操機(jī)器人進(jìn)行研究時，需要對其模型進(jìn)行簡化，國內(nèi)外通常采用的 Acrobot 模型對體操機(jī)器人進(jìn)行簡化。對于 Acrobot 擺起和倒立平衡的研具有很長的歷史，擺起和倒立平衡的控制方法和實驗都有比較多的參考。

（3）欠驅(qū)動體操機(jī)器人控制理論的研究，為機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境下的出了一種新的思路。研究這種欠驅(qū)動機(jī)器人的動力學(xué)對于研究其他復(fù)雜欠械系統(tǒng)和非線性強(qiáng)耦合系統(tǒng)的動力學(xué)具有一定的理論意義。而且欠驅(qū)動機(jī)在生活中廣泛使用，對于欠驅(qū)動系統(tǒng)的研究可以應(yīng)用于類似的欠驅(qū)動系統(tǒng)欠驅(qū)動機(jī)械的研究和開發(fā)。本文研究了體操機(jī)器人的擺起、倒立平衡和換杠飛躍運動，分別對各進(jìn)行動力學(xué)建模，并設(shè)計了相應(yīng)的控制器，最后搭建了體操機(jī)器人物理實驗并完成了控制算法的移植與驗證。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及分析1.2.1 國外欠驅(qū)動體操機(jī)器人的研究現(xiàn)狀對體操機(jī)器人進(jìn)行研究時，需要對其模型進(jìn)行簡化，國內(nèi)外通常采用的 Acrobot 模型對體操機(jī)器人進(jìn)行簡化。對于 Acrobot 擺起和倒立平衡的研具有很長的歷史，擺起和倒立平衡的控制方法和實驗都有比較多的參考。

圖 1-5 李祖樞教授三關(guān)節(jié)單杠體操機(jī)器人中南大學(xué)賴旭芝教授[43][44]將模糊控控制的過程中，通過模糊判斷來切換不節(jié)所應(yīng)做的運動，使得體操機(jī)器人的能立 Takagi-Sugeno(TS)模型來分析體操機(jī)采用平衡控制的方法實現(xiàn)了吸引域內(nèi)的為被動的欠驅(qū)動三關(guān)節(jié)機(jī)器人，還提出針對退化系統(tǒng)采用線性控制和非線性控控制方法，可以使得三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動機(jī)器衡點上并且可以穩(wěn)定在這平衡點上。南京師范大學(xué)韓玉龍[45][46]針對中國主要側(cè)重于體操機(jī)器人硬件平臺的搭建。通過單片機(jī)的各個接口，完成了電平轉(zhuǎn)機(jī)器人位姿的測量和控制，并且開發(fā)了龍對體操機(jī)器人的研究側(cè)重于實物平臺

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