非完整多關(guān)節(jié)機械手的運動規(guī)劃及實驗研究.pdf

1、非完整系統(tǒng)的主要特點是輸入空間的維數(shù)小于其位形空間維數(shù)，非完整約束在提高系統(tǒng)的靈活性、減少驅(qū)動裝置的同時，也給其運動規(guī)劃帶來了困難。這是由于非完整系統(tǒng)中存在的運動耦合使其體現(xiàn)出一些復(fù)雜的特性，如不能實現(xiàn)輸入-狀態(tài)線性化，不能采用光滑非線性反饋來實現(xiàn)漸進(jìn)穩(wěn)定等。因此如何尋找一個有界的控制輸入，使得非完整系統(tǒng)在有限時間內(nèi)從給定初始位形運動到目標(biāo)位形的運動規(guī)劃問題成為了非完整領(lǐng)域研究的重點問題。本論文主要以一類一階非完整多關(guān)節(jié)機械手為研究對象

2、，對其進(jìn)行運動規(guī)劃以及運動控制實驗研究。
　　基于非完整機械手的可控性及鏈?zhǔn)阶儞Q原理，結(jié)合其運動學(xué)模型特點提出一種運動規(guī)劃算法。在非完整機械手對應(yīng)的鏈?zhǔn)娇臻g中將自由變量與控制輸入系數(shù)作為待求量，根據(jù)邊界條件約束將非完整運動規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化成為非線性方程組的求根問題后，利用牛頓迭代法求解方程組得到鏈?zhǔn)较到y(tǒng)的控制輸入和各狀態(tài)變量的運動軌跡，再通過鏈?zhǔn)侥孀儞Q獲得非完整機械手三個關(guān)節(jié)角的運動軌跡，MATLAB中的數(shù)值實驗結(jié)果證明該運動規(guī)劃算法

3、是可行的。
　　研究非完整機械手的鏈?zhǔn)侥孀儞Q奇異性問題，提出令鏈?zhǔn)娇臻g中一條軌跡向關(guān)節(jié)空間映射有解的不等式約束條件，利用增加附加約束的方法來規(guī)避非完整機械手的鏈?zhǔn)侥孀儞Q奇異。采用懲罰函數(shù)的思想將不等式約束轉(zhuǎn)化成為等式約束并將其與系統(tǒng)的邊界條件約束結(jié)合，使得在鏈?zhǔn)娇臻g中規(guī)劃的軌跡可以映射成為關(guān)節(jié)空間中一條可行的軌跡。
　　在運動控制實驗平臺上對提出的運動規(guī)劃算法加以驗證，用兩個伺服電機作為非完整機械手的控制輸入，并利用 UMA

4、C（可編程多軸運動控制器）實現(xiàn)對伺服電機的運動控制。兩個輸入通過摩擦圓盤運動傳遞機構(gòu)驅(qū)動非完整機械手的三個關(guān)節(jié)角運動，利用角位移傳感器測量關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動的角位移。將實驗得到的各關(guān)節(jié)運動軌跡與理論計算的運動軌跡進(jìn)行分析比較，證明提出的運動規(guī)劃算法可以實現(xiàn)對非完整多關(guān)節(jié)機械手的有效控制。
　　綜上所述，本文從非完整機械手系統(tǒng)的機械構(gòu)成原理及鏈?zhǔn)阶儞Q特性出發(fā)，研究規(guī)避其鏈?zhǔn)侥孀儞Q奇異的運動規(guī)劃算法。本課題的研究為復(fù)雜非完整系統(tǒng)的運動規(guī)劃以及非