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移动机械臂跟踪控制与运动规划研究

作　者: 林冠楠
导　师: 苏剑波
学　校: 上海交通大学
专　业: 控制理论与控制工程
关键词: 移动机械臂自抗扰控制跟踪控制运动规划表征空间 A星算法
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

移动机械臂是由移动平台与固定在其上的机械臂组成的机器人系统。该系统集移动机器人工作空间的广阔性与工业机械臂的运动灵巧性于一身。这种组合极大地扩展了机器人的应用领域。现在,移动机械臂已被应用到家用服务、工业生产和国防安全等各个领域,具有广泛的应用价值。因此研究移动机械臂的理论知识具有非常强的现实意义。而由移动平台带给整体机器人系统的机构冗余和非完整性约束的特性,也使得机器人可以避免奇异位姿并通过优化自身轨迹来完成指定任务。这些都是移动机械臂研究中的重点和难点。目前对于移动机器人与工业机械臂的研究已有相当多的进展,开发出了不少成熟的运动规划与跟踪控制算法。但移动机械臂在运动过程中,其移动平台与固定其上的机械臂是同时运动的,而由于这两部分的动力学相互耦合,使得分别对这两部分进行跟踪控制时存在较大干扰,这就对移动机械臂的控制算法提出了新的要求。另外,移动机械臂的运动轨迹由移动平台与机械臂两者构成,比之单独的移动机器人或机械臂的运动规划要额外考虑两者间的协调问题,比如如何运动才能最节省能耗,而这就需要新的运动规划思路。因此,研究移动机械臂运动规划与跟踪控制算法是非常有意义的工作。本文主要从理论研究的角度,以通用的移动机械臂模型为研究对象,设计了一种新的移动机械臂跟踪控制策略和运动规划思路。其中,针对移动机械臂的跟踪控制问题,本文引入了一种运动解耦的方法,充分利用其机构冗余的特点,构建了一种将机器人移动平台和机械臂的轨迹跟踪分开进行控制的框架,并针对两者分别设计了基于自抗扰技术的跟踪控制器。为了验证设计的控制策略的正确性与有效性,本文搭建了在验证中采用的移动机械臂系统仿真平台。该仿真平台采用MATLAB中的SIMULINK和S函数实现,完成了移动机械臂前向动力学仿真模块用来模拟机器人,并设计了仿真中所需的反馈回路、控制综合与轨迹生成等模块,并在其上完成了移动机械臂跟踪控制的仿真研究。此外,本文还将表征空间的思路应用到移动机械臂运动规划上来。将描述移动机械臂系统的变量投射到表征空间中进行统一的运动规划与协调研究。本文在表征空间采用了基于A星算法的搜索策略,对移动机械臂通过障碍物时移动平台与机械臂的协调问题进行了分析与研究。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-11
第一章绪论  11-20
  1.1 引言  11-13
  1.2 移动机械臂的研究概况  13-17
    1.2.1 国外移动机械臂的研究情况  13-15
    1.2.2 国内移动机械臂的研究情况  15-17
  1.3 移动机械臂研究热点  17-18
  1.4 本文的研究内容及安排  18-20
第二章移动机械臂模型及其动力学分析  20-30
  2.1 引言  20-21
  2.2 移动机械臂系统模型定义  21-25
    2.2.1 移动机械臂机构冗余与非完整性约束  21-23
    2.2.2 移动机械臂系统运动学  23-25
  2.3 移动机械臂动力学模型推导  25-29
    2.3.1 拉格朗日动力学方程推导  25-27
    2.3.2 微分约束对模型的影响  27-29
  2.4 本章小结  29-30
第三章基于ADRC 的移动机械臂轨迹跟踪控制  30-45
  3.1 引言  30-33
    3.1.1 跟踪-微分器  31-32
    3.1.2 非线性反馈组合  32
    3.1.3 扩展状态观测器  32-33
  3.2 基于ADRC 的跟踪控制策略设计  33-40
    3.2.1 移动机械臂末端执行器与移动平台的运动分解  33-35
    3.2.2 移动机械臂的输入力矩  35-36
    3.2.3 基于ADRC 的移动机械臂跟踪控制器设计。  36-40
  3.3 实验验证  40-44
    3.3.1 跟踪控制仿真验证  40-42
    3.3.2 跟踪控制精度比较  42-44
  3.4 本章小结  44-45
第四章移动机械臂系统测试仿真平台  45-51
  4.1 简介  45
  4.2 常用机器人仿真手段  45-46
    4.2.1 数值仿真  45-46
    4.2.2 基于动力学方程的仿真  46
  4.3 移动机械臂仿真平台设计  46-50
  4.4 本章小结  50-51
第五章基于表征空间的移动机械臂运动规划与协调  51-64
  5.1 引言  51-52
  5.2 表征空间模型及规划方法  52-57
    5.2.1 表征空间的建立  52-53
    5.2.2 表征空间的路径搜索  53-54
    5.2.3 A*搜索算法简介  54-55
    5.2.4 表征空间的路径搜索  55-57
  5.3 基于表征空间的移动机械臂运动规划与协调  57-63
    5.3.1 移动机械臂系统在表征空间中的建模  57-60
    5.3.2 移动机械臂运动规划  60
    5.3.3 基于表征空间的运动规划调整  60-63
  5.4 本章小结  63-64
第六章总结与展望  64-66
  6.1 全文总结  64
  6.2 课题展望  64-66
参考文献  66-74
致谢  74-75
攻读硕士学位期间已发表或录用的论文  75

移动机械臂跟踪控制与运动规划研究

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