本文關(guān)鍵詞：擬人機器人手臂魯棒非線性控制研究　出處：《鄭州大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：移動速度快、靈巧、平滑的擬人機器人手臂在醫(yī)療康復(fù)、航空航天、社會服務(wù)等領(lǐng)域越來越受到重視。在這些特殊領(lǐng)域,擬人機器人手臂的運動不單單是以完成具體的動作和功能為主要目標,還要求在運動過程中能根據(jù)具體環(huán)境需求快速、平滑、精確地進行運動和執(zhí)行動作,甚至能像多關(guān)節(jié)人臂一樣熟練和靈巧。另外,應(yīng)用擬人機器人手臂的目的是能夠替代或輔助人們完成一些重復(fù)勞動或特殊工作,人們不僅希望這些擬人機器人手臂能夠根據(jù)周圍環(huán)境靈活地改變自身形態(tài)來完成期望的任務(wù),在執(zhí)行任務(wù)中還希望能夠減少其對自身或被接觸人類的傷害,這就要求一些能夠根據(jù)不同需求自動變換形態(tài)的智能軟體型機器人代替金屬骨架型機器人來完成。因此,如何從多關(guān)節(jié)人臂的運動機理特性出發(fā),結(jié)合機器人手臂的機械特性,構(gòu)建基于特殊仿人智能軟體驅(qū)動器的擬人機器人手臂,實現(xiàn)其結(jié)構(gòu)和功能仿生,是制造出功能集中、效率高、像多關(guān)節(jié)人臂一樣靈巧和熟練的擬人機器人手臂的有效途徑之一�；诂F(xiàn)階段在構(gòu)建擬人機器人手臂中存在的軟體驅(qū)動器建模與控制、先進控制等技術(shù)難題,本論文通過對擬人機器人手臂魯棒非線性控制的研究,深入探討了軟體驅(qū)動器的機理特性與建模、仿多關(guān)節(jié)人臂運動機理的擬人控制器設(shè)計、多輸入多輸出機器人手臂的先進魯棒控制等幾個關(guān)鍵技術(shù)。其主要研究內(nèi)容和成果包括:1.軟體智能驅(qū)動器的特性分析與建模。軟體機器人能在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中自如運動,具有優(yōu)良的安全性和靈活性。雖然軟體機器人有著傳統(tǒng)剛性機器人無法比擬的優(yōu)勢,但材料的柔軟性使得軟體驅(qū)動器的運動機理變得極其復(fù)雜,給軟體驅(qū)動器或機器人動力學(xué)建模、控制器設(shè)計等帶來了極大困難。為解決制約軟體機器人的這些實際應(yīng)用問題,本論文以一種單腔雙向彎曲軟體驅(qū)動器為研究對象,討論了基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計原理、強彎曲特性等問題。分析和研究了基于物理特性的壓力輸入和彎曲角度輸出關(guān)系的位置控制模型,并通過實驗數(shù)據(jù)辨識出一種實用的壓力輸入與力輸出關(guān)系的力控制模型。2.擬人機器人手臂魯棒非線性控制系統(tǒng)設(shè)計。通過對擬人機器人手臂的研究背景、研究意義及其發(fā)展現(xiàn)狀的分析,提出了一種剛性和軟體混合結(jié)構(gòu)的擬人手臂系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架,進行了擬人機器人手臂魯棒非線性控制系統(tǒng)設(shè)計研究。在其控制系統(tǒng)設(shè)計中,首先,討論了擬人機器人手臂非線性魯棒控制系統(tǒng)總體架構(gòu),提出了以構(gòu)成擬人機器人手臂的剛性機器人臂和軟體純軟手指為主要控制和執(zhí)行單元的兩個子系統(tǒng)的控制性能指標。其次,分別設(shè)計了基于算子理論的魯棒右互質(zhì)分解技術(shù)的機器人臂與純軟微手魯棒非線性控制子系統(tǒng),完成了對機器人臂末端位置和軟手指位置和力的控制研究。推導(dǎo)出了基于演算子的控制器和跟蹤控制器,并對機器人臂魯棒控制子系統(tǒng)進行了魯棒穩(wěn)定與跟蹤特性分析與評價,討論了魯棒穩(wěn)定與跟蹤條件。同時,也對機器人軟手魯棒非線性控制子系統(tǒng)進行了魯棒穩(wěn)定與跟蹤特性分析與評價,討論了魯棒穩(wěn)定與跟蹤條件。最后,對整個擬人機器人手臂系統(tǒng)的非線性魯棒穩(wěn)定與跟蹤特性進行了分析討論。3.基于多關(guān)節(jié)人臂結(jié)構(gòu)與粘彈性特性的結(jié)構(gòu)和功能擬人化方法。通過對如何將多關(guān)節(jié)人臂的粘彈性特性有效地應(yīng)用在擬人機器人手臂系統(tǒng)設(shè)計與控制中的研究,探索出一種實現(xiàn)擬人機器人手臂的結(jié)構(gòu)和功能擬人化方法,也就是通過對運動中多關(guān)節(jié)人臂粘彈性機理和機器人手臂的動態(tài)機械特性的分析與研究,設(shè)計出一種基于多關(guān)節(jié)人臂粘彈性特性的仿人臂控制器。4.基于演算子理論的不確定性補償控制問題。模型不確定性會帶來跟蹤控制器設(shè)計困難問題,針對本問題,提出了一種基于演算子理論的不確定性補償控制框架,通過設(shè)計基于標稱模型特性的演算子觀測器完成了對模型不確定的補償,消除了不確定對設(shè)計精確跟蹤控制器的影響。
[Abstract]:Moving fast, smart, smooth arm of humanoid robot in medical rehabilitation, aerospace, more and more attention in the field of social services. In this special field, humanoid robot arm movement is not only to complete the action and function of concrete as the main target, according to the needs of the specific environment also requires fast, smooth movement in the process in the movement and action accurately, even as many people as skilled and dexterous arm joint. In addition, the application of humanoid robot is to can replace or assist people to complete some repetitive labor or special work, people not only hope that the humanoid robot can be expected to complete according to the surrounding environment the flexibility to change its form the task in the execution of a task is to reduce its contact or human injury, which requires some can according to different requirements Intelligent soft body automatic robot shape shifting robots instead of the metal skeleton. Therefore, how to proceed from the mechanism of multi joint arm, combined with the mechanical characteristics of the robot arm, build humanoid robot special intelligent software driver based on arm, the structure and function of bionic, creating function, high efficiency, as one of the effective ways of humanoid robot arm and dexterous skilled people like multi joint arm. At this stage in the construction of software modeling and control of actuator are humanoid robot based on the technical problems of advanced control, this paper through the research of robust nonlinear control of humanoid robot arm, discusses the characteristics and modeling mechanism software driver, controller design humanoid multi joint arm movement imitation mechanism, multi input and multi output of the robot arm in robust control The key technology of system. The main research contents and achievements include: 1. characteristics analysis and modeling software. The software can drive intelligent robot moving freely in the unstructured environment, with excellent safety and flexibility. Although the software robot has a traditional rigid robot incomparable advantages, but the soft material making the movement mechanism of software driver has become extremely complex, to the software driver or robot dynamic modeling, controller design has brought great difficulties. To solve these practical problems which restrict the robot, this paper takes a single cavity bidirectional bending drive software as the research object, discusses the basic structure, design principle, strong bending characteristics etc.. The analysis and study of the relationship between the pressure and the bending angle of the physical characteristics of the input output model based on position control, and according to the experimental data identification A kind of practical pressure force input and output relations of the force control arm model robust nonlinear control system design of the.2. humanoid robot. Through the research background of humanoid robot, analysis the significance of the research and development status, put forward a kind of rigid and soft mixed node framework structure of humanoid arm system of anthropomorphic system the design of nonlinear robust control of robot arm. In the design of the control system, firstly, discusses the humanoid robot nonlinear robust control system architecture, put forward the control performance of the two subsystems to form a quasi man arm robot with rigid robot arm and the software of pure soft finger as the main control and execution units. Secondly, the design of the robot arm are robust right coprime decomposition technique of operator theory and pure soft micro hand robust nonlinear control system based on, Study on the control of the robot arm end position and soft finger position and force complete. Deduced controller operator and tracking controller based on arm and robust control subsystem of robot are analyzed and evaluated the robust stability and tracking characteristics, discusses the robust stability and robust tracking conditions. At the same time, also on the soft hand robust robot the nonlinear control system of analysis and evaluation of robust stability and robust tracking characteristics, discusses the robust stability and robust tracking conditions. Finally, nonlinear robust stability and tracking properties of the humanoid robot system are analyzed and discussed the structure and function of.3. anthropomorphic arm joint structure and method of viscoelastic properties based on how best to. The study on the viscoelastic properties of multi joint arm effectively applied in design and control system of humanoid robot arm, explore a quasi human The structure and function of the anthropomorphic robot arm method, is through the dynamic mechanical properties of multi joint arm movement viscoelastic mechanism and robot arm of analysis and research, design a.4. controller of humanoid arm arm viscoelastic properties of multi joint people based on operator theory of uncertain compensation control problem the model uncertainty will bring about tracking controller design problem, aiming at this problem, put forward a kind of operator theory of uncertain compensation control based on the framework, through the design of the nominal model characteristics of operator observer completed the uncertainty of model based compensation, eliminate the uncertain influence on the design of accurate tracking controller.

【學(xué)位授予單位】：鄭州大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TP242

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本文編號：1356208