【摘要】：人類對機(jī)器人的憧憬和探索歷經(jīng)3000多年從未改變,然而自世界上第一臺工業(yè)用機(jī)器人的投產(chǎn)至今歷時短短60余年。這60年的迅猛發(fā)展,使得機(jī)器人從無到有再到隨處可見,已經(jīng)成為當(dāng)今生活的真實寫照,并為國民經(jīng)濟(jì)以及人們的生活帶來了前所未有的提高。長期以來,無數(shù)科研工作者們一直渴望實現(xiàn)機(jī)器人與人類的緊密接觸,希望機(jī)器人可以在日常生活中幫助我們,與我們一起工作。傳統(tǒng)的機(jī)械臂大多在固定構(gòu)形下完成位置控制,并且關(guān)節(jié)工作在一個單一的主動模式。這樣的機(jī)械臂已經(jīng)在諸如工廠的生產(chǎn)線等受控環(huán)境下成功運(yùn)行。在受控環(huán)境之外,他們只有在由操作人員操作時才執(zhí)行復(fù)雜的操作任務(wù)。到了現(xiàn)在,機(jī)器人已經(jīng)超越了結(jié)構(gòu)化的工廠環(huán)境,進(jìn)入了復(fù)雜環(huán)境工作,實現(xiàn)人機(jī)協(xié)作。傳統(tǒng)的具有位置控制的工業(yè)機(jī)械臂不適合在人類環(huán)境中進(jìn)行復(fù)雜的操作,故需要與環(huán)境接觸的機(jī)器人面臨著全新機(jī)遇的同時也迎來了新的挑戰(zhàn)。機(jī)器人學(xué)在這短短幾十年里突飛猛進(jìn)的發(fā)展主要是依賴于其他學(xué)科的迅速發(fā)展,這些學(xué)科與機(jī)器人學(xué)科的發(fā)展是相輔相成的。例如仿生科學(xué)、人工智能、計算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域,機(jī)器人系統(tǒng)可以為其理論驗證提供實驗平臺,而機(jī)器人的研究也離不開這些學(xué)科的支持。自模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂的概念被提出以來,涌現(xiàn)出大量相關(guān)領(lǐng)域的科研人員致力于其位置控制的研究并取得了豐碩的研究成果。然而,在現(xiàn)實工程應(yīng)用中,如開關(guān)門操作、搜索救援以及輔助手術(shù)、康復(fù)訓(xùn)練等情況下,機(jī)械臂工作在受環(huán)境約束的復(fù)雜、精細(xì)操作中,單一的位置控制已經(jīng)不能滿足實際工程應(yīng)用的需要,更多的科研人員將控制目標(biāo)鎖定在了對其位置控制的同時實現(xiàn)對其末端力進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。同時,由于模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂與人類密切接觸且投資越來越大,其壽命和可靠性的要求也隨之不斷提高。目前,國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對受約束可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)容錯控制問題的研究還不多見,也不夠深入。此外,可重構(gòu)模塊機(jī)械臂在執(zhí)行任務(wù)期間需要適當(dāng)變換構(gòu)形以適應(yīng)不同的任務(wù)需求。因此,對本質(zhì)上采用模塊化設(shè)計思想的可重構(gòu)模塊機(jī)械臂來說,分散控制策略更加適合其自身的控制問題。但是如何僅采用局部信息將末端接觸力映射到各個關(guān)節(jié)空間進(jìn)而實現(xiàn)模型分解,一直是制約分散控制策略應(yīng)用到受約束可重構(gòu)模塊機(jī)械臂力/位置控制問題的瓶頸。本文成功克服上述困難,主要研究了受約束可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)的無故障及故障模型描述方法、力/位置分散控制方法、力/位置魯棒分散容錯控制方法、容錯控制條件下系統(tǒng)健康檢測方法以及飽和約束條件下的執(zhí)行器故障容錯控制方法等。實現(xiàn)了受約束可重構(gòu)機(jī)械臂分散力/位置控制及其容錯控制,并將執(zhí)行器的輸出能力考慮在容錯控制器的使用及設(shè)計中,使其更加符合工程實際應(yīng)用。全文主要內(nèi)容包括:1.闡述了課題的研究背景及意義,對模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀以及容錯控制技術(shù)問題進(jìn)行了綜述。2.利用Newton-Euler迭代算法得到模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂傳統(tǒng)動力學(xué)模型及其故障模型并將其表征為一組通過耦合力矩相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)集合。此外,給出一種基于諧波傳動模型的關(guān)節(jié)力矩估計方法并利用這種方法得到一種相比于傳統(tǒng)模型其結(jié)構(gòu)相對簡單的模型表達(dá)方法。3.針對受環(huán)境約束的模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂的每個子系統(tǒng)動力學(xué)模型,提出基于諧波傳動模型的關(guān)節(jié)力矩估計方法。在不采用關(guān)節(jié)力矩傳感器的情況下,僅利用電機(jī)端與關(guān)節(jié)末端的位置測量數(shù)據(jù)對可重構(gòu)模塊機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行估計。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計動態(tài)輸出反饋魯棒控制方法,實現(xiàn)受約束條件下可重構(gòu)機(jī)械臂力/位置分散控制。此外,考慮到控制器參數(shù)攝動問題,將非脆弱魯棒控制技術(shù)與動態(tài)輸出反饋相結(jié)合,進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的控制性能。4.針對受環(huán)境約束的可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)出現(xiàn)非仿射執(zhí)行器故障的情況,制定魯棒分散容錯控制策略,首先設(shè)計一種積分滑模控制器實現(xiàn)受約束可重構(gòu)機(jī)械臂力/位置分散控制,然后將自適應(yīng)控制策略加入到滑�？刂破髦袑ξ粗欠律湫螆�(zhí)行器故障進(jìn)行補(bǔ)償,實現(xiàn)約束條件下可重構(gòu)機(jī)械臂魯棒分散容錯控制。最后進(jìn)行仿真驗證方法的有效性。5.在已使用容錯控制器的前提下,考慮到可重構(gòu)機(jī)械臂執(zhí)行器的輸出能力,設(shè)計一種新穎的分散式健康檢測方法,分別對可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)的各個關(guān)節(jié)模塊進(jìn)行健康檢測。為了避免關(guān)節(jié)加速度信息的使用,將關(guān)節(jié)控制力矩進(jìn)行濾波處理,并且與濾波估計力矩進(jìn)行比較得到預(yù)測誤差。最后,利用力矩預(yù)測誤差的積分構(gòu)造性能指標(biāo)對可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)各個關(guān)節(jié)模塊的運(yùn)行情況進(jìn)行健康檢測。6.針對可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)執(zhí)行器存在飽和的現(xiàn)象,將執(zhí)行器飽和考慮到執(zhí)行器容錯控制中,提出一種基于解耦的分散魯棒容錯控制方法,利用Radial Basis Function(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償器對超出執(zhí)行器輸出能力部分的控制力矩進(jìn)行補(bǔ)償,使得可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)在執(zhí)行器飽和約束下其容錯控制性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。此外,由于RBF具有簡單的架構(gòu)和快速的訓(xùn)練過程并且僅用于對超出執(zhí)行器輸出能力部分的控制力矩進(jìn)行補(bǔ)償,故任何由RBF引起的延遲都不會對容錯控制造成影響。最后,對全文工作總結(jié),結(jié)合自身研究心得,對后續(xù)研究工作進(jìn)行展望。
【學(xué)位授予單位】：長春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP242
【圖文】：

（a） LWA4D 實物圖 （b） LWA4D 模塊化關(guān)節(jié)圖 1-1 LWA4D 模塊化機(jī)械臂復(fù)定位精度高達(dá)±0.15mm。機(jī)械臂的每個關(guān)節(jié)模塊都安裝一個工作電壓為 24V 的無刷直流電機(jī)以便實現(xiàn)模塊化控制。此外，該公司還研發(fā)并生產(chǎn)出如圖 1-2（a）所示的名為 LWA4P 的模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂[2]，圓球形關(guān)節(jié)設(shè)計理念是這款機(jī)械臂最大的優(yōu)點所在，這種設(shè)計使得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度可以達(dá)到正負(fù) 170 度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-2（b）所示。

（a） LWA4D 實物圖 （b） LWA4D 模塊化關(guān)節(jié)圖 1-1 LWA4D 模塊化機(jī)械臂定位精度高達(dá)±0.15mm。機(jī)械臂的每個關(guān)節(jié)模塊都安裝一個工作電壓為 24V 的刷直流電機(jī)以便實現(xiàn)模塊化控制。此外，該公司還研發(fā)并生產(chǎn)出如圖 1-2（a）所的名為 LWA4P 的模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂[2]，圓球形關(guān)節(jié)設(shè)計理念是這款機(jī)械臂最的優(yōu)點所在，這種設(shè)計使得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動角度可以達(dá)到正負(fù) 170 度，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖-2（b）所示。

圖 1-3 可重構(gòu)夾具夾持面板 圖 1-4 吞服膠囊機(jī)器人圖 1-5HIT 機(jī)械臂系統(tǒng) 圖 1-6 Trimobot 三維模型近些年通過我國科研人員的不懈努力使得模塊化可重構(gòu)模塊機(jī)械臂在許多領(lǐng)得以迅速發(fā)展。上海交通大學(xué)的吳超設(shè)計了一種水下模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂，這種械臂的最大優(yōu)點在于其未來可應(yīng)用于水下作業(yè)[7]。我國第一套空間機(jī)械臂原理樣

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2804899