發(fā)布時間：2020-04-02 07:27

【摘要】：連續(xù)型機械臂擁有剛性機械臂無法比擬的柔順性,在許多領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著越來越重要的作用,但與此同時,連續(xù)型機械臂的控制問題成為其相關(guān)技術(shù)研究的重點和難點。本文主要圍繞采用氣動柔性驅(qū)動器的氣動連續(xù)型機械臂,進行合理的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)設(shè)計,并搭建實驗平臺;進一步地,針對強非線性控制問題,考慮基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法,開展氣動連續(xù)型機械臂的無模型控制策略研究。首先,針對氣動連續(xù)型機械臂的柔順抓捕任務(wù)需求,分析連續(xù)體生物的仿生機理,并依據(jù)肌肉性靜水骨骼原理確定機械臂的動作方式、執(zhí)行機構(gòu)的種類與裝配位置;其次,在確定所用氣動柔性驅(qū)動器的合理布局之后對其工作原理及內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析并確定參數(shù);在完成氣管與電氣布線之后可使氣動連續(xù)型機械臂達成靈活彎曲運動的目的。最終,在完成氣動連續(xù)型機械臂的總體布局之后,針對機械臂動作快速性與穩(wěn)定性的要求,分析氣動系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的組成與工作原理,對氣動元件和控制元器件進行合理選型,完成硬件實驗平臺系統(tǒng)的設(shè)計與搭建工作。在建立合理的框架結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,考慮較為精確的氣動柔性驅(qū)動器模型,對單氣路通道進行控制,通過數(shù)值仿真驗證系統(tǒng)設(shè)計的合理性并為控制系統(tǒng)實現(xiàn)提供思路。進一步地,針對含有多氣路通道的氣動連續(xù)型機械臂超冗余自由度的問題,需要設(shè)計合理的運動學(xué)模型表達關(guān)節(jié)空間與任務(wù)空間映射關(guān)系;針對氣動連續(xù)型機械臂在處于豎直狀態(tài)下的齊次轉(zhuǎn)移矩陣奇異問題,根據(jù)模式形狀函數(shù)建立模態(tài)運動學(xué)。針對連續(xù)型機械臂動力學(xué)模型中含有復(fù)雜項的積分表達式所導(dǎo)致的計算量過大問題,采用了基于遞歸計算的方法簡化動力學(xué)模型表達式以提高計算效率。針對系統(tǒng)模型存在不確定性、同時伴有強非線性問題,為了能夠?qū)�氣動連續(xù)型機械臂進行更好地形狀控制,主要設(shè)計了無模型自適應(yīng)滑�？刂破�(Model-free adaptive sliding mode controller,MFASMC);首先針對拉格朗日型動力學(xué)模型,根據(jù)廣義Lipschitz條件對該模型進行全格式(同時考慮I/O變化量)動態(tài)線性化,其次,考慮相應(yīng)的準則函數(shù),得到無模型自適應(yīng)控制器(Model-free adaptive controller,MFAC),并依據(jù)修正的投影算法估計其中未知的偽偏導(dǎo)數(shù)矩陣,再次,為加快誤差的收斂速度,設(shè)計滑模控制器(Sliding mode controller,SMC)共同作用于被控對象,通過數(shù)值仿真觀察控制算法的效果,并與PD控制進行對比,最終通過硬件實驗平臺完成柔順抓捕任務(wù),驗證控制策略的有效性。
【圖文】：

d) OctArmIV e) OctArmV f) OctArmVI圖 1-1 Clemson 大學(xué) Walker 團隊連續(xù)型機器人[11-16] Istituto Italiano di Tecnologia 大學(xué)的 Kang 教授研制了模塊氣動肌肉驅(qū)動器作為執(zhí)行機構(gòu)，共含有 6 段，，總長為 670m策略采用分級控制將原型機的期望動作與各驅(qū)動器的輸入

圖 1-2 IIT 大學(xué) Kang 教授連續(xù)型機械臂[17動化公司于2010年研制了仿象鼻人機A)[18]，如圖 1-3 所示，總長度為 750由 3D 打印技術(shù)制成，材料為聚酰胺置在工廠環(huán)境中，其靈活性與安全
【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】：TP241

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