球型腕奇異分析與雙重工作模式控制策略研究.pdf

1、傳統(tǒng)工業(yè)機器人在工廠等結(jié)構(gòu)化環(huán)境中作業(yè)時，很少考慮到機器人與接觸環(huán)境之間的交互作用。隨著機器人工作環(huán)境逐步的開放，與環(huán)境中的設(shè)備、工具等操作對象進行接觸作業(yè)時常會發(fā)生干涉、碰撞等情況，因此機器人與環(huán)境交互作業(yè)的適應(yīng)性與安全性研究已經(jīng)成為趨勢。機械手腕作為機械臂的重要組成部件，其作用是通過腕關(guān)節(jié)微小的調(diào)整來改變機械臂末端的姿態(tài)，腕關(guān)節(jié)性能的好壞與機械臂整體的定位精度和運動靈活性息息相關(guān)。針對目前機械手腕結(jié)構(gòu)復(fù)雜、集成度低、運動耦合、抗干擾

2、和柔順性能差等問題，提出一種三自由度高集成解耦球型手腕機構(gòu)及其雙重工作模式控制策略。
　　在機械結(jié)構(gòu)上，球型腕采用雙半球和雙萬向節(jié)的解耦結(jié)構(gòu)保證腕關(guān)節(jié)的緊湊性與靈活性。分析運動傳遞關(guān)系與運動解耦機理，推導(dǎo)正、逆運動學(xué)方程及雅克比矩陣，得到作業(yè)空間與關(guān)節(jié)空間的運動傳遞關(guān)系。推導(dǎo)動力學(xué)方程及靜力等效變換關(guān)系，為后續(xù)手腕控制系統(tǒng)設(shè)計打下基礎(chǔ)。
　　采用基于雅克比矩陣的全域可操作性能評價了球型手腕對力和運動的全局轉(zhuǎn)換能力，以此為目標

3、函數(shù)，對手腕的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行了優(yōu)化，得到了最優(yōu)的偏置斜面傾斜角。利用可操作性能指標對球型手腕奇異位形進行了分析，針對球型手腕內(nèi)部固有的奇異點，根據(jù)雙重工作模式的任務(wù)特點，分別提出主動模式無奇異軌跡規(guī)劃和被動模式自適應(yīng)奇異參數(shù)的處理方法，對球型腕工作空間內(nèi)部奇異點進行了有效地避讓。
　　球型腕雙重工作模式控制策略包括基于非線性Terminal滑模面軌跡跟蹤控制的主動模式和基于摩擦模型的前饋力矩補償柔順控制的被動模式。在主動模式下，球型

4、腕能夠快速、準確地跟蹤預(yù)定軌跡，對不確定性擾動不敏感，實現(xiàn)了精確的姿態(tài)定位;在被動模式下，基于模型的摩擦補償使手腕擺脫阻力自由運動，通過六維力/力矩傳感器測出末端與環(huán)境交互力形成閉合控制回路，實現(xiàn)了手腕與交互力隨動的柔順控制。
　　最后，搭建了Simulink環(huán)境仿真平臺與球型手腕運動軌跡控制及位姿檢測平臺，通過仿真與試驗分別驗證了球型手腕雙重工作模式控制策略的有效性。形成了集輕型靈巧化結(jié)構(gòu)、精確軌跡跟蹤定位控制、基于摩擦模型力矩