本文關(guān)鍵詞：面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人力矩估計(jì)與分散控制方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

《吉林大學(xué)》 2015年

面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人力矩估計(jì)與分散控制方法研究

董博  

【摘要】：可重構(gòu)模塊機(jī)器人是一類具有標(biāo)準(zhǔn)模塊與接口，可以根據(jù)不同的任務(wù)需求對(duì)自身構(gòu)形進(jìn)行重新組合與配置的機(jī)器人。根據(jù)模塊化的概念，可重構(gòu)模塊機(jī)器人的關(guān)節(jié)模塊包含了通訊、驅(qū)動(dòng)、控制、傳感等單元，可以使機(jī)器人在不同的外界環(huán)境與約束下根據(jù)任務(wù)需要改變自身構(gòu)形，使重構(gòu)后的機(jī)器人能夠?qū)π碌墓ぷ鳝h(huán)境有更好的適應(yīng)性。一般來說，可重構(gòu)模塊機(jī)器人可以生成的構(gòu)形數(shù)量取決于關(guān)節(jié)模塊與連桿模塊的類型，自由度，以及接口數(shù)量等等，通過對(duì)模塊的重新配置來實(shí)現(xiàn)多種不同的裝配構(gòu)形，并提供不同的輸出功率，從而表現(xiàn)出許多傳統(tǒng)機(jī)器人所不具有的優(yōu)勢(shì)，例如：可以通過構(gòu)形重構(gòu)，添加或減少模塊來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)柔性；為新型機(jī)器人產(chǎn)品的開發(fā)提供一個(gè)低成本高效率的測(cè)試平臺(tái)，，以此鼓勵(lì)和推動(dòng)新技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展；縮短新技術(shù)的研發(fā)周期，并從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度降低新型機(jī)器人的研發(fā)，測(cè)試和維護(hù)成本。與此同時(shí)，我們需要設(shè)計(jì)合適的控制系統(tǒng)來保證機(jī)器人重構(gòu)后的穩(wěn)定性與精確性。 可重構(gòu)模塊機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)時(shí)，不可避免的要與外界環(huán)境產(chǎn)生接觸，從而受到來自外界環(huán)境的約束。為了補(bǔ)償機(jī)器人關(guān)節(jié)所受約束力并獲得良好的控制精度，研究面向動(dòng)態(tài)約束的機(jī)器人關(guān)節(jié)力矩反饋與補(bǔ)償及動(dòng)力學(xué)控制是可重構(gòu)模塊機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。直至目前，學(xué)者們針對(duì)采用直接力矩傳感技術(shù)的機(jī)器人關(guān)節(jié)約束力補(bǔ)償與控制方法進(jìn)行了大量研究。然而，安裝關(guān)節(jié)力矩傳感器會(huì)損害其可靠性與堅(jiān)固性，并使模塊結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。因此，在無力/力矩傳感器且存在外界動(dòng)態(tài)約束的條件下實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)模塊機(jī)器人的關(guān)節(jié)力矩估計(jì)與補(bǔ)償控制是一類亟待解決的問題。為了保證可重構(gòu)模塊機(jī)器人在重構(gòu)后具有良好的穩(wěn)定性與精確性，且在外界動(dòng)態(tài)約束下完成既定任務(wù)，研究面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制方法，是該研究領(lǐng)域的又一個(gè)重要問題。在設(shè)計(jì)可重構(gòu)模塊機(jī)器人控制器時(shí)，需要考慮控制系統(tǒng)的兼容性與可重構(gòu)性，即對(duì)于不同的機(jī)器人構(gòu)形均具有良好的控制性能。為了滿足上述要求，傳統(tǒng)控制方法需要消耗大量的運(yùn)算資源，當(dāng)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時(shí)，控制器的穩(wěn)定性與可靠性難以保證。因此，研究更符合模塊化的設(shè)計(jì)思想，復(fù)雜程度低，運(yùn)算速度快且對(duì)機(jī)器人模型不確定性具有較強(qiáng)辨識(shí)與補(bǔ)償能力的可重構(gòu)模塊機(jī)器人動(dòng)力學(xué)控制方法是十分必要的。 本文針對(duì)面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人的力矩估計(jì)與分散控制方法展開深入的研究與探討。主要研究了面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模方法，基于諧波傳動(dòng)模型的關(guān)節(jié)力矩估計(jì)方法，基于Actor-Critic-Identifier (ACI)的分散強(qiáng)化學(xué)習(xí)最優(yōu)控制方法，基于可變?cè)鲆娉菪惴?Variable gain super twistingalgorithm, VGSTA)的分散滑�？刂品椒�，基于關(guān)節(jié)力矩估計(jì)的分散積分滑�？刂品椒ǖ�。全文的主要內(nèi)容包括： 1.闡述了論文選題的研究背景及意義，對(duì)可重構(gòu)模塊機(jī)器人的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及熱點(diǎn)研究問題進(jìn)行綜述。 2.基于Newton-Euler迭代算法，通過一組高效的正向與反向迭代方程，考慮作用在各個(gè)關(guān)節(jié)及連桿上的力/力矩以及關(guān)節(jié)間的耦合力/力矩，建立可重構(gòu)模塊機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上，基于局部的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)信息，將機(jī)器人系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分解為若干個(gè)動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)，深入分析子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性，并給出面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人子系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型。根據(jù)雙外力作用下的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)特性，對(duì)可重構(gòu)模塊機(jī)器人關(guān)節(jié)模塊內(nèi)嵌的諧波傳動(dòng)裝置進(jìn)行研究，并提出基于諧波傳動(dòng)模型的關(guān)節(jié)力矩估計(jì)方法。在同時(shí)考慮波發(fā)生器與柔輪的柔度、諧波傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)誤差以及力矩偏差的情況下建立諧波傳動(dòng)模型，并基于該模型，提出一種新穎的關(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)器人關(guān)節(jié)力矩進(jìn)行估計(jì)。 3.基于Actor-Critic-Identifier策略，在存在耦合模型不確定性的情況下，研究面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人的連續(xù)時(shí)間非線性最優(yōu)控制問題。采用Actor NN、Critic NN及Identifier分別對(duì)系統(tǒng)最優(yōu)控制策略，最優(yōu)Q函數(shù)及模型非線性項(xiàng)進(jìn)行辨識(shí)，設(shè)計(jì)分散強(qiáng)化學(xué)習(xí)最優(yōu)魯棒跟蹤控制器，使系統(tǒng)滿足HJB方程下的最優(yōu)條件。最后，通過Lyapunov穩(wěn)定性理論對(duì)Identifier及控制器的穩(wěn)定性進(jìn)行分析與證明。 4.研究了基于VGSTA的可重構(gòu)模塊機(jī)器人分散滑�？刂品椒�。首先，提出一種基于可變?cè)鲆娉菪龜U(kuò)張狀態(tài)觀測(cè)器(Variable gain super twistingalgorithm–extend state observer, VGSTA-ESO)的分散終端滑�？刂品椒�，并采用遺傳模擬退火算法對(duì)觀測(cè)器當(dāng)中一些待定參數(shù)進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。該方法融合了ESO強(qiáng)大的估計(jì)、抗擾能力以及VGSTA對(duì)系統(tǒng)誤差的收斂能力，使得系統(tǒng)能夠在極短的時(shí)間內(nèi)跟蹤期望軌跡，且估計(jì)誤差可以在有限時(shí)間內(nèi)收斂為零。其次，研究了面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人分散積分嵌套滑�？刂品椒�。該方法將積分滑模與嵌套滑模的思想相結(jié)合，采用雙曲函數(shù)及偽滑模面設(shè)計(jì)構(gòu)建積分嵌套滑模面，并設(shè)計(jì)分散積分嵌套滑�？刂破�，補(bǔ)償模型不確定性并抑制滑�？刂贫墩�。 5.針對(duì)一類采用諧波傳動(dòng)的可重構(gòu)模塊機(jī)器人，研究在自由空間及動(dòng)態(tài)約束下的分散積分滑�？刂茊栴}。首先，根據(jù)第二章提出的關(guān)節(jié)力矩估計(jì)方法，在僅采用位置測(cè)量信息的情況下，設(shè)計(jì)非線性速度估計(jì)器與分散積分滑模控制器，通過對(duì)一類自由空間下的三自由度可重構(gòu)模塊機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，驗(yàn)證了所提出的速度、力矩估計(jì)方法及控制器的有效性。其次，提出了面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人分散積分滑�？刂品椒�，在不采用力/力矩傳感器的條件下解決了存在動(dòng)態(tài)約束力與耦合模型不確定性的可重構(gòu)模塊機(jī)器人軌跡跟蹤問題。將積分滑模設(shè)計(jì)與分散控制策略相結(jié)合，基于獨(dú)立的關(guān)節(jié)動(dòng)力學(xué)信息設(shè)計(jì)分散控制器，對(duì)包含摩擦力建模誤差，諧波傳動(dòng)力矩偏差以及關(guān)節(jié)間耦合在內(nèi)的模型不確定性進(jìn)行補(bǔ)償并削弱控制器抖振，確保機(jī)器人關(guān)節(jié)與末端執(zhí)行器精確跟蹤期望軌跡。 最后，對(duì)全文研究?jī)?nèi)容進(jìn)行總結(jié)，并結(jié)合作者研究過程中的切身體會(huì)，對(duì)接下來的研究工作進(jìn)行展望。

【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP273;TP242
【目錄】：

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【參考文獻(xiàn)】

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中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 ;機(jī)器人、機(jī)械手、自動(dòng)調(diào)節(jié)、控制與執(zhí)行機(jī)構(gòu)[J];電子科技文摘;2001年03期

2 ;《機(jī)器人》2002年度(第24卷)分類總目次[J];機(jī)器人;2002年06期

3 劉成良,張凱,Jay Lee;雙機(jī)器人協(xié)調(diào)作業(yè)下碰撞算法及仿真研究[J];機(jī)器人;2003年02期

4 韓逢慶,李紅梅,李剛,黃席樾;一種改進(jìn)的多機(jī)器人任意隊(duì)形控制算法[J];機(jī)器人;2003年06期

5 程玉虎,易建強(qiáng),趙冬斌;機(jī)器人行為協(xié)調(diào)機(jī)制研究進(jìn)展[J];機(jī)器人;2004年02期

6 邢宏光,王利紅,張玉茹;神經(jīng)外科手術(shù)機(jī)器人靈活性分析[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2004年04期

7 曹毅,王樹新,李群智;基于隨機(jī)概率的機(jī)器人工作空間及其解析表達(dá)[J];組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù);2005年02期

8 胡磊,高翌飛,王田苗,王滿宜;矯形外科機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用研究[J];北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào);2005年04期

9 邱季;李麗芹;王治富;;機(jī)器人在車身焊接生產(chǎn)中的應(yīng)用[J];輕型汽車技術(shù);2005年03期

10 王東署;徐方;徐心和;;激光加工機(jī)器人自標(biāo)定研究[J];機(jī)械與電子;2006年02期

中國(guó)重要會(huì)議論文全文數(shù)據(jù)庫 前6條

1 范守文;徐禮鉅;;機(jī)器人工作空間分析的解析法[A];第十四屆全國(guó)機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)術(shù)研討會(huì)暨第二屆海峽兩岸機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集[C];2004年

2 殷子強(qiáng);張廣軍;袁新;趙慧慧;吳林;;人機(jī)交互式機(jī)器人弧焊再制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)[A];第十六次全國(guó)焊接學(xué)術(shù)會(huì)議論文摘要集[C];2011年

3 范波濤;閆成新;;噴漿機(jī)器人靈巧度分析[A];面向21世紀(jì)的科技進(jìn)步與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展（下冊(cè)）[C];1999年

4 海丹;劉玉鵬;鄭志強(qiáng);;四輪全向機(jī)器人的設(shè)計(jì)與控制方法[A];2005中國(guó)機(jī)器人大賽論文集[C];2005年

5 高理富;宋寧;;Puma控制器改造中的控制算法探究[A];2003年中國(guó)智能自動(dòng)化會(huì)議論文集（上冊(cè)）[C];2003年

6 徐曉;翟敬梅;謝存禧;;機(jī)器人柔性裝配單元的設(shè)計(jì)[A];第十屆粵港機(jī)電工程技術(shù)與應(yīng)用研討會(huì)暨梁天培教授紀(jì)念會(huì)文集[C];2008年

中國(guó)博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 韓金華;護(hù)士助手機(jī)器人總體方案及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2009年

2 趙揚(yáng);機(jī)器人磨削葉片關(guān)鍵技術(shù)研究[D];吉林大學(xué);2009年

3 李正義;機(jī)器人與環(huán)境間力/位置控制技術(shù)研究與應(yīng)用[D];華中科技大學(xué);2011年

4 楊東勇;多機(jī)器人協(xié)作的學(xué)習(xí)與進(jìn)化方法[D];浙江大學(xué);2005年

5 劉淑華;復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境下多機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)研究[D];吉林大學(xué);2005年

6 郝宗波;家庭移動(dòng)服務(wù)機(jī)器人的若干關(guān)鍵技術(shù)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2006年

7 李相鵬;連通性約束的多機(jī)器人集合及導(dǎo)航[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

8 李彥濤;助餐機(jī)器人樣機(jī)研制及控制研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2012年

9 宋勇;機(jī)器人群體行為數(shù)學(xué)建模與定量分析方法研究[D];山東大學(xué);2012年

10 李華師;四足機(jī)器人仿生運(yùn)動(dòng)控制理論與方法的研究[D];北京理工大學(xué);2014年

中國(guó)碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 余正泓;類人機(jī)器人的仿真技術(shù)研究及其在比賽動(dòng)作設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[D];武漢工程大學(xué);2008年

2 郭安慶;基于機(jī)器人的柴油機(jī)氣缸蓋堆焊技術(shù)開發(fā)[D];江蘇科技大學(xué);2010年

3 張婧慧;機(jī)器人滾邊技術(shù)及其應(yīng)用研究[D];合肥工業(yè)大學(xué);2010年

4 劉爾靜;輔助腹腔鏡手術(shù)機(jī)器人建模與仿真研究[D];哈爾濱工程大學(xué);2010年

5 徐亮;室內(nèi)清掃機(jī)器人的路徑規(guī)劃研究[D];中原工學(xué)院;2011年

6 劉廷順;相貫線全位置焊接機(jī)器人構(gòu)型及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化[D];北京工業(yè)大學(xué);2011年

7 何武;室內(nèi)服務(wù)機(jī)器人的導(dǎo)航研究[D];中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年

8 張成軍;可重構(gòu)機(jī)器人的設(shè)計(jì)及基礎(chǔ)性能研究[D];燕山大學(xué);2011年

9 李文廣;雙機(jī)器人標(biāo)定方法研究及協(xié)調(diào)仿真[D];沈陽理工大學(xué);2011年

10 胡永涼;面向熔射制模的機(jī)器人研磨系統(tǒng)及實(shí)驗(yàn)研究[D];華中科技大學(xué);2005年

  本文關(guān)鍵詞：面向動(dòng)態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機(jī)器人力矩估計(jì)與分散控制方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：250395