雙臂機(jī)器人擬人化動作實(shí)現(xiàn)與協(xié)調(diào)控制方法研究.pdf

1、擬人雙臂機(jī)器人在精密打磨、精密裝配、大負(fù)載搬運(yùn)等工業(yè)領(lǐng)域有其獨(dú)特的優(yōu)勢，它是下一代工業(yè)機(jī)械臂智能化發(fā)展的方向。擬人雙臂機(jī)器人是仿照人手臂的自由度構(gòu)成和分配而設(shè)計(jì)的一種機(jī)械臂系統(tǒng)，其具備操作空間大、靈活性高以及協(xié)同能力強(qiáng)等特點(diǎn)而被廣大學(xué)者研究;由于冗余自由度的存在，雙臂機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動控制研究水平一定程度上標(biāo)志著一個國家在機(jī)械臂研究領(lǐng)域的學(xué)術(shù)地位。本文以擬人雙臂機(jī)器人為研究對象，以人體雙臂運(yùn)動機(jī)理、雙臂機(jī)器人運(yùn)動規(guī)劃方法以及雙臂協(xié)調(diào)運(yùn)動控制

2、為研究內(nèi)容，針對傳統(tǒng)運(yùn)動規(guī)劃方法操作復(fù)雜、效率低下以及雙臂機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)存在的非線性等問題開展相關(guān)研究。本文研究的主要內(nèi)容如下
　　1.提出了基于直角三角函數(shù)的手臂關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)的評價(jià)方法。從人類手臂的特點(diǎn)出發(fā)，結(jié)合人體解剖學(xué)，分別對肩部、肘部與前臂、腕部進(jìn)行了詳細(xì)闡述及運(yùn)動學(xué)分析，構(gòu)建了肩關(guān)節(jié)-肘關(guān)節(jié)-手腕組成的人類手臂運(yùn)動鏈，并對其運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了建模。分析了手臂關(guān)節(jié)角的運(yùn)動軌跡、角度變化以及肌肉的作用力特征，解決了手臂在旋轉(zhuǎn)過程中

3、肩部和肘部關(guān)節(jié)力矩的計(jì)算問題。
　　2.提出了基于人體手臂運(yùn)動捕獲數(shù)據(jù)的對偶四元數(shù)空間向量法關(guān)節(jié)角計(jì)算方法。針對傳統(tǒng)人體雙臂運(yùn)動捕獲方法存在的不足，描述了光學(xué)運(yùn)動捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)以及當(dāng)前在運(yùn)動捕捉數(shù)據(jù)的分析與處理方法中有待解決的問題。應(yīng)用空間向量法對人體肩部和肘部關(guān)節(jié)角進(jìn)行了計(jì)算，通過對偶四元數(shù)對原型標(biāo)記點(diǎn)位置的逆運(yùn)動學(xué)進(jìn)行了求解，避免了歐拉角的奇異點(diǎn)問題。
　　3.采用了歐幾里得群結(jié)構(gòu)與最優(yōu)控制逆解相結(jié)合的方法，建立了人機(jī)匹

4、配模型。圍繞機(jī)器人復(fù)現(xiàn)人體雙臂運(yùn)動的目標(biāo)，通過對捕獲人體雙臂運(yùn)動軌跡上的速度和關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，并將修正后的數(shù)據(jù)與機(jī)器人模型進(jìn)行運(yùn)動學(xué)匹配，解決了人體運(yùn)動數(shù)據(jù)到雙臂機(jī)器人的最佳模型匹配問題。實(shí)現(xiàn)了仿人雙臂機(jī)器人的擬人化運(yùn)動。
　　4.雙臂機(jī)器人位置跟蹤精度不同控制策略的對比研究。在經(jīng)典反演控制器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，建立了一種改進(jìn)型的雙臂協(xié)調(diào)反演控制策略。該策略有三個特點(diǎn):第一，采用模糊逼近反演控制算法，對非線性不確定性進(jìn)行估計(jì)，

5、進(jìn)一步提高末端位置跟蹤的精度?；诹臀恢玫幕旌峡刂葡到y(tǒng)，模糊逼近末端期望軌跡，完成了雙臂的協(xié)調(diào)抓取任務(wù)。第二，采用擴(kuò)展的自適應(yīng)反演控制方法來控制雙臂穩(wěn)定工作，充分利用反演法的優(yōu)點(diǎn)，使用一階濾波器減少控制器的復(fù)雜度?；诹匮a(bǔ)償?shù)哪：赃m應(yīng)反演控制方法，對機(jī)器人雙臂實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的軌跡跟蹤。第三，采用滑模自適應(yīng)反演控制方法來減少系統(tǒng)總干擾，結(jié)合非線性擾動觀測器的特點(diǎn)，提出了一種非線性擾動觀測的滑模自適應(yīng)反演控制方法。該方法削弱了滑?？刂频亩墩?/p>

6、，提高了仿人雙臂機(jī)器人系統(tǒng)的控制性能，保證雙臂系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
　　5.設(shè)計(jì)了雙臂機(jī)器人擬人化控制和雙臂協(xié)調(diào)穩(wěn)定操作的完整方案。針對機(jī)器人雙臂實(shí)現(xiàn)擬人化操作問題，應(yīng)用目前通用的仿真平臺V-REP(Virtual RobotExperimentation Platform)從仿真、實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證了本論文提出方法的有效性，為仿人機(jī)器人雙臂協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制以及雙臂擬人化復(fù)現(xiàn)操作提供了一個新的參考方向和方法，拓展了雙臂機(jī)器人的應(yīng)用，具有積極的學(xué)術(shù)