本文關(guān)鍵詞：雙臂機器人擬人化動作實現(xiàn)與協(xié)調(diào)控制方法研究　出處：《中國科學技術(shù)大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：擬人雙臂機器人在精密打磨、精密裝配、大負載搬運等工業(yè)領(lǐng)域有其獨特的優(yōu)勢,它是下一代工業(yè)機械臂智能化發(fā)展的方向。擬人雙臂機器人是仿照人手臂的自由度構(gòu)成和分配而設計的一種機械臂系統(tǒng),其具備操作空間大、靈活性高以及協(xié)同能力強等特點而被廣大學者研究;由于冗余自由度的存在,雙臂機器人系統(tǒng)運動控制研究水平一定程度上標志著一個國家在機械臂研究領(lǐng)域的學術(shù)地位。本文以擬人雙臂機器人為研究對象,以人體雙臂運動機理、雙臂機器人運動規(guī)劃方法以及雙臂協(xié)調(diào)運動控制為研究內(nèi)容,針對傳統(tǒng)運動規(guī)劃方法操作復雜、效率低下以及雙臂機器人運動控制系統(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)的評價方法。從人類手臂的特點出發(fā),結(jié)合人體解剖學,分別對肩部、肘部與前臂、腕部進行了詳細闡述及運動學分析,構(gòu)建了肩關(guān)節(jié)-肘關(guān)節(jié)-手腕組成的人類手臂運動鏈,并對其運動學進行了建模。分析了手臂關(guān)節(jié)角的運動軌跡、角度變化以及肌肉的作用力特征,解決了手臂在旋轉(zhuǎn)過程中肩部和肘部關(guān)節(jié)力矩的計算問題。2.提出了基于人體手臂運動捕獲數(shù)據(jù)的對偶四元數(shù)空間向量法關(guān)節(jié)角計算方法。針對傳統(tǒng)人體雙臂運動捕獲方法存在的不足,描述了光學運動捕捉系統(tǒng)的優(yōu)點以及當前在運動捕捉數(shù)據(jù)的分析與處理方法中有待解決的問題。應用空間向量法對人體肩部和肘部關(guān)節(jié)角進行了計算,通過對偶四元數(shù)對原型標記點位置的逆運動學進行了求解,避免了歐拉角的奇異點問題。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,建立了人機匹配模型。圍繞機器人復現(xiàn)人體雙臂運動的目標,通過對捕獲人體雙臂運動軌跡上的速度和關(guān)節(jié)角度變化數(shù)據(jù)進行修正,并將修正后的數(shù)據(jù)與機器人模型進行運動學匹配,解決了人體運動數(shù)據(jù)到雙臂機器人的最佳模型匹配問題。實現(xiàn)了仿人雙臂機器人的擬人化運動。4.雙臂機器人位置跟蹤精度不同控制策略的對比研究。在經(jīng)典反演控制器設計的基礎(chǔ)上,建立了一種改進型的雙臂協(xié)調(diào)反演控制策略。該策略有三個特點:第一,采用模糊逼近反演控制算法,對非線性不確定性進行估計,進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。第二,采用擴展的自適應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,使用一階濾波器減少控制器的復雜度�；诹匮a償?shù)哪：赃m應反演控制方法,對機器人雙臂實現(xiàn)準確的軌跡跟蹤。第三,采用滑模自適應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,提出了一種非線性擾動觀測的滑模自適應反演控制方法。該方法削弱了滑�？刂频亩墩�,提高了仿人雙臂機器人系統(tǒng)的控制性能,保證雙臂系統(tǒng)穩(wěn)定工作。5.設計了雙臂機器人擬人化控制和雙臂協(xié)調(diào)穩(wěn)定操作的完整方案。針對機器人雙臂實現(xiàn)擬人化操作問題,應用目前通用的仿真平臺V-REP(Virtual Robot Experimentation Platform)從仿真、實驗角度驗證了本論文提出方法的有效性,為仿人機器人雙臂協(xié)調(diào)穩(wěn)定控制以及雙臂擬人化復現(xiàn)操作提供了一個新的參考方向和方法,拓展了雙臂機器人的應用,具有積極的學術(shù)指導價值和重要的工程實際意義。
[Abstract]:Polish, humanoid dual arm robot in precision precision assembly, large load handling and other industrial fields has its unique advantages, it is the industrial manipulator intelligent the direction of the next generation. A manipulator system is modeled on the humanoid dual arm robot arm of the degree of freedom of allocation and the structure and design, with its large operation space the characteristics of high flexibility and coordination ability and the majority of scholars; the redundant degree of freedom, the research level to some extent marks the academic status of a country in the research field of mechanical arm control system. Based on the motion of dual arm robot humanoid dual arm robot as the research object, taking the human arm movement mechanism, the motion planning method of arms the robot arms and coordinated motion control as the research content, the traditional motion planning method of complicated operation, low efficiency and robot motion control system Research on nonlinear problems. The main contents of this paper are as follows: 1. put forward the evaluation method of rotating arm joint angle based on trigonometric function. Based on the characteristics of the human arm, combined with human anatomy, respectively on the shoulder, elbow and forearm and wrist were analyzed in detail and kinematics, construct the human arm movement chain shoulder elbow wrist composition, and its kinematics was modeled. Analysis of trajectory of the arm joint angle, angle and force characteristics of muscle, solve the arm calculation is presented based on human arm motion capture dual four element space vector method of joint angle data.2. method in the calculation problem of rotation over the shoulder and elbow joint torque in the process. According to the shortcomings of the traditional acquisition methods of human arm movement, describes the advantages and optical motion capture system The motion capture methods of data analysis and processing of the problem to be solved. The application of space vector method to calculate the human shoulder and elbow joint angle, through the dual four element inverse kinematics of the markers of the prototype are solved to avoid the singularity of Euler angles using Euclidean.3. control method of inverse solution the combination of group structure and the optimal matching model, established the human-machine robot arms around. Redisplay human moving target, through the capture of human arms on the trajectory velocity and joint angle change data are corrected, and the model data and the modified robot kinematics, solves the optimal matching model of human motion data to arms the problem of robot. The position of the anthropomorphic arms movement.4. humanoid robot dual arm robot tracking accuracy comparison of different control strategies Study. Based on the classical backstepping controller design, the establishment of an improved arms coordination control strategy. The inversion strategy has three characteristics: first, using the fuzzy control algorithm of nonlinear inversion approximation, the uncertainty of estimates, to further improve the end position tracking precision. Hybrid control system based on force and position at the end, the fuzzy approximation of the desired trajectory, completed the task coordination capture arms. Second, using the extended adaptive backstepping control method to control arms stability, taking full advantage of the complexity of the inversion method, using a reduced order filter controller. Fuzzy adaptive backstepping control method based on torque compensation, to achieve accurate trajectory the tracking robot arms. Third, using sliding mode adaptive backstepping control method to reduce the total interference system, combined with the characteristics of nonlinear disturbance observer, presents a Sliding mode adaptive inverse control method of nonlinear disturbance observation. This method reduces chattering in sliding mode control, improve the control performance of humanoid arm robot system, to ensure the stable operation of the.5. system design of the dual arm robot arms control and stable operation of anthropomorphic arms coordination scheme. According to the robot arms to achieve complete anthropomorphic operation problems and application at present the general simulation platform V-REP (Virtual Robot Experimentation Platform) from the perspective of simulation, experimental validation of the proposed method, it provided a new direction and method for humanoid robot arm coordinate stability control and anthropomorphic arms reproduction operation, expand the application of the arms of the robot, it has practical significance to the academic guiding value and important project.

【學位授予單位】：中國科學技術(shù)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

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本文編號：1420532