面向环境约束的可重构机械臂自适应力/位置控制方法研究

摘要

可重构机械臂是由一组具有通信接口并且可以互换的关节和连杆模块组成的，这些模块能迅速地分离和重新组装成适合不同任务的机械构形的机械臂。与传统的固定结构的机械臂相比，可重构机械臂更加灵活，工作范围更加广泛，并且它具有强鲁棒性、高度柔性、较好的容错性以及低成本，能适应不同的任务需求。在许多工业生产和加工，国防和航空航天探测，深海资源探测，抢险救援等领域有着巨大的发展前景。在这些复杂而且多变的环境下，可重构机械臂末端与外界环境接触是不可避免的，它对机械臂灵活性、智能化的要求越来越高，简单的位置控制已经满足不了，还需要对接触力进行控制。因此，对受约束的可重构机械臂的混合力/位置协同控制问题的研究是非常必要的。
　　本文首先应用指数积公式给出可重构机械臂的运动学方程，并且利用刚体的动力学方程和牛顿-欧拉方程给出系统自由空间的动力学模型。利用机械臂末端接触力与各关节力/力矩之间的映射关系，以此给出约束环境下可重构机械臂的动力学模型。其次，根据机械臂末端与外界环境的关系给出动力学降阶模型，针对该模型设计了一种受约束可重构机械臂自适应滑模力/位置混合控制方法。随后，考虑可重构机械臂模块化特点，提出了分散控制与集中控制相结合的策略，设计了一种神经网络自适应力/位置控制方法来控制可重构机械臂执行器与外界环境的接触力，避免了接触力过大影响机械臂系统稳定或者对外界环境造成破坏。最终，对二自由度受约束的可重构机械臂进行稳定性分析和仿真验证，证明了所提出的控制器有效性和可行性。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第一章 绪 论

1.1 研究的背景及意义

1.2 可重构机械臂的研究现状

1.3 可重构机械臂研究热点问题

1.4 受约束机械臂力/位置控制研究现状

1.5 本文的主要工作及内容安排

第二章 可重构机械臂系统运动学和动力学建模

2.1 引言

2.2 可重构机械臂运动学建模

2.3 可重构机械臂动力学建模

2.4环境约束的可重构机械臂动力学模型

2.5本章小结

第三章 环境约束的可重构机械臂滑模自适应力/位置控制

3.1 引言

3.2 滑模力/位置控制设计

3.3 仿真分析和验证

3.4 本章小结

第四章 基于自适应神经网络的受约束可重构机械臂力/位置控制

4.1 引言

4.2问题描述

4.3神经网络控制算法设计及稳定性分析

4.4 仿真研究

4.5 本章小结

第五章 总结与展望

致谢

参考文献

作者简介

攻读硕士学位期间研究成果