[發明專利]平面4R欠驅動機械臂位姿控制方法

在審

• 申請號: 201710054336.X
• 申請日: 2017-01-22
• 公開（公告）號: CN106584465A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 余躍慶;毛冬冬
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16;B25J9/06;B25J17/02
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司11203
• 代理人: 沈波

技術領域

本發明涉及一種平面4R欠驅動機械臂位姿控制方法，實現了第四關節為被動關節的平面4R欠驅動機械臂末桿的位姿控制，即機械臂末端在跟蹤直線或圓弧軌跡的同時實現了對被動桿的姿態控制。

背景技術

在全驅動機械臂的控制中，機械臂的各個關節是由各自電機單獨控制驅動的，這在運動控制上相對比較簡單，一般情況下只需要從運動學角度即可實現機械臂的運動控制目標。但隨著現代科學技術的發展，對機械產品的設計有了新的挑戰，輕質量、低能耗、高速度、智能化成為現代機械設備的發展趨勢，近些年出現的含有被動關節的欠驅動機械臂，為降低重量提供了新的思路。欠驅動機械臂是指機械臂的某個或某些關節不具有驅動裝置，由于驅動的減少，使機械臂的重量減輕了，成本也降低了，同時也就減少了能源的消耗，在太空、深海及核工業環境具有重要的現實意義，諸多優點使這種機器人很有研究價值，成為近些年機器人研究領域的熱點。

目前，國內外學者就欠驅動機器人的運動控制問題進行了一些研究。美國的Marcel Bergerman等研究的帶有非驅動關節的兩關節和三關節機器人，這種機器人的控制是通過在自由關節處加了一個制動裝置來實現的。這樣的裝置可消除機器人手臂之間的耦合，通過適當地組合開、關狀態使整個機器人得以控制。BANAVAR等對平面3R兩主動關節欠驅動機器人的可控性進行了研究，指出了除了第一關節為被動關節，其他情況都滿足小時間局部可控性的充分條件。以上成果集中于對欠驅動系統的可控性和耦合指標等基礎理論的研究，依賴于系統精確的動力學模型。

ARAI等運用反饋控制策略實現了平面3R機器人的位置控制。何廣平等提出了一種欠驅動機械臂的動力學操作性指標，并基于非線性控制技術完成了對欠驅動冗余機械臂的自運動流形控制。陳煒等利用PID方法提出2R柔性欠驅動機械臂的分段位置控制策略并進行了仿真和實驗研究。劉慶波等利用遺傳算法和變結構控制方法對欠驅動機器人的最優運動規劃與軌跡跟蹤控制問題進行研究。方道星、張雨等基于模糊控制理論針對欠驅動機械臂的位置控制和軌跡跟蹤進行了仿真和試驗研究。以上成果主要是關于欠驅動機器人的位置控制或者軌跡跟蹤控制。欠驅動機械臂受到二階非完整約束，只能利用主動關節和被動關節之間的動力學耦合作用間接進行控制，控制難度大。欠驅動機械臂是時變、強耦合、高度非線性的系統，而現有的控制方法都基于系統精確的動力學模型，實時計算量很大，對控制器運算速度的要求就很高?；谀Ｐ偷目刂破鲗δＰ驼`差、系統參數變化以及外部干擾比較敏感，影響控制效果和精度，不利于實現對欠驅動機械臂的精確控制。而且，同時實現欠驅動機器人位置和姿態的控制難度更大，具有更高的理論意義和學術價值。

發明內容

要實現水平運動機械臂的位置和姿態控制，全驅動機械臂至少需要3個自由度。而對于欠驅動機械臂而言，由于至少存在一個自由關節，因此，具有三個自由度的機器人很難同時實現其位置和姿態的控制。以具有4個轉動副的平面欠驅動機械臂為對象進行研究，以末桿的姿態控制和末端點的軌跡跟蹤控制為目標，基于模糊控制理論設計控制器，利用ADAMS和MATLAB聯合仿真對控制器進行仿真分析。

本發明基于模糊控制理論，研究水平運動的4自由度欠驅動機械臂的位置和姿態控制方法。根據分層控制思想，制定的控制策略為：控制第一和第二主動關節的運動實現末端點的軌跡跟蹤，控制第三主動關節實現末桿的姿態控制。

圖1為平面4R欠驅動機械臂的結構示意圖，該機械臂的結構包括欠驅動機械臂的第四桿1、欠驅動機械臂的第三桿3、欠驅動機械臂的第二桿5、欠驅動機械臂的第一桿7、第四編碼器2、第三編碼器4、第二編碼器6、第一編碼器8、基座9、第一主動關節伺服控制端10、第二主動關節伺服控制端11、第三主動關節伺服控制端12、被動關節13；被動關節13未設伺服控制端，處于完全自由狀態。伺服控制端由驅動電機和減速器組成，伺服控制端由相應編碼器控制，驅動電機和減速器連接，減速器的輸出軸和各主動關節連接。

欠驅動機械臂的第四桿1、欠驅動機械臂的第三桿3、欠驅動機械臂的第二桿5、欠驅動機械臂的第一桿7依次連接組成平面4R欠驅動機械臂的主體結構，第四編碼器2、第三編碼器4、第二編碼器6、第一編碼器8依次設置在欠驅動機械臂的第四桿1、欠驅動機械臂的第三桿3、欠驅動機械臂的第二桿5、欠驅動機械臂的第一桿7的末端，第一主動關節伺服控制端10、第二主動關節伺服控制端11、第三主動關節伺服控制端12分別設置在第一編碼器8、第二編碼器6、第三編碼器4的底部，被動關節13設置在第四編碼器2的底部；第一主動關節伺服控制端10安裝在基座9上。