【摘要】：人類對(duì)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(tái)工業(yè)用機(jī)器人的投產(chǎn)至今歷時(shí)短短60余年。這60年的迅猛發(fā)展,使得機(jī)器人從無(wú)到有再到隨處可見(jiàn),已經(jīng)成為當(dāng)今生活的真實(shí)寫照,并為國(guó)民經(jīng)濟(jì)以及人們的生活帶來(lái)了前所未有的提高。長(zhǎng)期以來(lái),無(wú)數(shù)科研工作者們一直渴望實(shí)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(gè)單一的主動(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)也迎來(lái)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(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域,機(jī)器人系統(tǒng)可以為其理論驗(yàn)證提供實(shí)驗(yàn)平臺(tái),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(lái),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(shí)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(shí)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(duì)其位置控制的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其末端力進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。同時(shí),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(lái)越大,其壽命和可靠性的要求也隨之不斷提高。目前,國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)針對(duì)受約束可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)容錯(cuò)控制問(wèn)題的研究還不多見(jiàn),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(duì)本質(zhì)上采用模塊化設(shè)計(jì)思想的可重構(gòu)模塊機(jī)械臂來(lái)說(shuō),分散控制策略更加適合其自身的控制問(wèn)題。但是如何僅采用局部信息將末端接觸力映射到各個(gè)關(guān)節(jié)空間進(jìn)而實(shí)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(wèn)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(wú)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(cuò)控制方法、容錯(cuò)控制條件下系統(tǒng)健康檢測(cè)方法以及飽和約束條件下的執(zhí)行器故障容錯(cuò)控制方法等。實(shí)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(cuò)控制,并將執(zhí)行器的輸出能力考慮在容錯(cuò)控制器的使用及設(shè)計(jì)中,使其更加符合工程實(shí)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(duì)模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂的研究現(xiàn)狀以及容錯(cuò)控制技術(shù)問(wèn)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(dòng)力學(xué)模型及其故障模型并將其表征為一組通過(guò)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(dòng)模型的關(guān)節(jié)力矩估計(jì)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(duì)簡(jiǎn)單的模型表達(dá)方法。3.針對(duì)受環(huán)境約束的模塊化可重構(gòu)機(jī)械臂的每個(gè)子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型,提出基于諧波傳動(dòng)模型的關(guān)節(jié)力矩估計(jì)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(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)可重構(gòu)模塊機(jī)械臂關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行估計(jì)。在此基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)輸出反饋魯棒控制方法,實(shí)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(dòng)問(wèn)題,將非脆弱魯棒控制技術(shù)與動(dòng)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(duì)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(cuò)控制策略,首先設(shè)計(jì)一種積分滑模控制器實(shí)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�(duì)未知非仿射形執(zhí)行器故障進(jìn)行補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)約束條件下可重構(gòu)機(jī)械臂魯棒分散容錯(cuò)控制。最后進(jìn)行仿真驗(yàn)證方法的有效性。5.在已使用容錯(cuò)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(jì)一種新穎的分散式健康檢測(cè)方法,分別對(duì)可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)的各個(gè)關(guān)節(jié)模塊進(jìn)行健康檢測(cè)。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(jì)力矩進(jìn)行比較得到預(yù)測(cè)誤差。最后,利用力矩預(yù)測(cè)誤差的積分構(gòu)造性能指標(biāo)對(duì)可重構(gòu)機(jī)械臂系統(tǒng)各個(gè)關(guān)節(jié)模塊的運(yùn)行情況進(jìn)行健康檢測(cè)。6.針對(duì)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(cuò)控制中,提出一種基于解耦的分散魯棒容錯(cuò)控制方法,利用Radial Basis Function(RBF)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償器對(duì)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(cuò)控制性能指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)。此外,由于RBF具有簡(jiǎn)單的架構(gòu)和快速的訓(xùn)練過(guò)程并且僅用于對(duì)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(huì)對(duì)容錯(cuò)控制造成影響。最后,對(duì)全文工作總結(jié),結(jié)合自身研究心得,對(duì)后續(xù)研究工作進(jìn)行展望。
【學(xué)位授予單位】：長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP242
【圖文】：

（a） LWA4D 實(shí)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(gè)關(guān)節(jié)模塊都安裝一個(gè)工作電壓為 24V 的無(wú)刷直流電機(jī)以便實(shí)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(jì)理念是這款機(jī)械臂最大的優(yōu)點(diǎn)所在，這種設(shè)計(jì)使得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(gè)關(guān)節(jié)模塊都安裝一個(gè)工作電壓為 24V 的刷直流電機(jī)以便實(shí)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(jì)理念是這款機(jī)械臂最的優(yōu)點(diǎn)所在，這種設(shè)計(jì)使得關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)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(guò)我國(guó)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(jì)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(diǎn)在于其未來(lái)可應(yīng)用于水下作業(yè)[7]。我國(guó)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(hào)：2804899