面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人力矩估計與分散控制方法研究
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《吉林大學(xué)》 2015年
面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人力矩估計與分散控制方法研究
董博
【摘要】:可重構(gòu)模塊機器人是一類具有標準模塊與接口,可以根據(jù)不同的任務(wù)需求對自身構(gòu)形進行重新組合與配置的機器人。根據(jù)模塊化的概念,可重構(gòu)模塊機器人的關(guān)節(jié)模塊包含了通訊、驅(qū)動、控制、傳感等單元,可以使機器人在不同的外界環(huán)境與約束下根據(jù)任務(wù)需要改變自身構(gòu)形,使重構(gòu)后的機器人能夠?qū)π碌墓ぷ鳝h(huán)境有更好的適應(yīng)性。一般來說,可重構(gòu)模塊機器人可以生成的構(gòu)形數(shù)量取決于關(guān)節(jié)模塊與連桿模塊的類型,自由度,以及接口數(shù)量等等,通過對模塊的重新配置來實現(xiàn)多種不同的裝配構(gòu)形,并提供不同的輸出功率,從而表現(xiàn)出許多傳統(tǒng)機器人所不具有的優(yōu)勢,例如:可以通過構(gòu)形重構(gòu),添加或減少模塊來實現(xiàn)機器人的結(jié)構(gòu)柔性;為新型機器人產(chǎn)品的開發(fā)提供一個低成本高效率的測試平臺,,以此鼓勵和推動新技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展;縮短新技術(shù)的研發(fā)周期,并從長遠角度降低新型機器人的研發(fā),測試和維護成本。與此同時,我們需要設(shè)計合適的控制系統(tǒng)來保證機器人重構(gòu)后的穩(wěn)定性與精確性。 可重構(gòu)模塊機器人在執(zhí)行任務(wù)時,不可避免的要與外界環(huán)境產(chǎn)生接觸,從而受到來自外界環(huán)境的約束。為了補償機器人關(guān)節(jié)所受約束力并獲得良好的控制精度,研究面向動態(tài)約束的機器人關(guān)節(jié)力矩反饋與補償及動力學(xué)控制是可重構(gòu)模塊機器人領(lǐng)域的一個重要課題。直至目前,學(xué)者們針對采用直接力矩傳感技術(shù)的機器人關(guān)節(jié)約束力補償與控制方法進行了大量研究。然而,安裝關(guān)節(jié)力矩傳感器會損害其可靠性與堅固性,并使模塊結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。因此,在無力/力矩傳感器且存在外界動態(tài)約束的條件下實現(xiàn)可重構(gòu)模塊機器人的關(guān)節(jié)力矩估計與補償控制是一類亟待解決的問題。為了保證可重構(gòu)模塊機器人在重構(gòu)后具有良好的穩(wěn)定性與精確性,且在外界動態(tài)約束下完成既定任務(wù),研究面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人動力學(xué)控制方法,是該研究領(lǐng)域的又一個重要問題。在設(shè)計可重構(gòu)模塊機器人控制器時,需要考慮控制系統(tǒng)的兼容性與可重構(gòu)性,即對于不同的機器人構(gòu)形均具有良好的控制性能。為了滿足上述要求,傳統(tǒng)控制方法需要消耗大量的運算資源,當機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜時,控制器的穩(wěn)定性與可靠性難以保證。因此,研究更符合模塊化的設(shè)計思想,復(fù)雜程度低,運算速度快且對機器人模型不確定性具有較強辨識與補償能力的可重構(gòu)模塊機器人動力學(xué)控制方法是十分必要的。 本文針對面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人的力矩估計與分散控制方法展開深入的研究與探討。主要研究了面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人的動力學(xué)建模方法,基于諧波傳動模型的關(guān)節(jié)力矩估計方法,基于Actor-Critic-Identifier (ACI)的分散強化學(xué)習(xí)最優(yōu)控制方法,基于可變增益超螺旋算法(Variable gain super twistingalgorithm, VGSTA)的分散滑?刂品椒,基于關(guān)節(jié)力矩估計的分散積分滑?刂品椒ǖ。全文的主要內(nèi)容包括: 1.闡述了論文選題的研究背景及意義,對可重構(gòu)模塊機器人的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及熱點研究問題進行綜述。 2.基于Newton-Euler迭代算法,通過一組高效的正向與反向迭代方程,考慮作用在各個關(guān)節(jié)及連桿上的力/力矩以及關(guān)節(jié)間的耦合力/力矩,建立可重構(gòu)模塊機器人的動力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,基于局部的關(guān)節(jié)動力學(xué)信息,將機器人系統(tǒng)動力學(xué)模型分解為若干個動力學(xué)子系統(tǒng),深入分析子系統(tǒng)動力學(xué)特性,并給出面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人子系統(tǒng)動力學(xué)模型。根據(jù)雙外力作用下的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)特性,對可重構(gòu)模塊機器人關(guān)節(jié)模塊內(nèi)嵌的諧波傳動裝置進行研究,并提出基于諧波傳動模型的關(guān)節(jié)力矩估計方法。在同時考慮波發(fā)生器與柔輪的柔度、諧波傳動運動學(xué)誤差以及力矩偏差的情況下建立諧波傳動模型,并基于該模型,提出一種新穎的關(guān)節(jié)力矩估計方法,在不采用關(guān)節(jié)力矩傳感器的情況下,僅利用電機端與關(guān)節(jié)末端的位置測量數(shù)據(jù)對可重構(gòu)模塊機器人關(guān)節(jié)力矩進行估計。 3.基于Actor-Critic-Identifier策略,在存在耦合模型不確定性的情況下,研究面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人的連續(xù)時間非線性最優(yōu)控制問題。采用Actor NN、Critic NN及Identifier分別對系統(tǒng)最優(yōu)控制策略,最優(yōu)Q函數(shù)及模型非線性項進行辨識,設(shè)計分散強化學(xué)習(xí)最優(yōu)魯棒跟蹤控制器,使系統(tǒng)滿足HJB方程下的最優(yōu)條件。最后,通過Lyapunov穩(wěn)定性理論對Identifier及控制器的穩(wěn)定性進行分析與證明。 4.研究了基于VGSTA的可重構(gòu)模塊機器人分散滑?刂品椒。首先,提出一種基于可變增益超螺旋擴張狀態(tài)觀測器(Variable gain super twistingalgorithm–extend state observer, VGSTA-ESO)的分散終端滑?刂品椒,并采用遺傳模擬退火算法對觀測器當中一些待定參數(shù)進行自適應(yīng)調(diào)整。該方法融合了ESO強大的估計、抗擾能力以及VGSTA對系統(tǒng)誤差的收斂能力,使得系統(tǒng)能夠在極短的時間內(nèi)跟蹤期望軌跡,且估計誤差可以在有限時間內(nèi)收斂為零。其次,研究了面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人分散積分嵌套滑?刂品椒。該方法將積分滑模與嵌套滑模的思想相結(jié)合,采用雙曲函數(shù)及偽滑模面設(shè)計構(gòu)建積分嵌套滑模面,并設(shè)計分散積分嵌套滑?刂破,補償模型不確定性并抑制滑?刂贫墩。 5.針對一類采用諧波傳動的可重構(gòu)模塊機器人,研究在自由空間及動態(tài)約束下的分散積分滑?刂茊栴}。首先,根據(jù)第二章提出的關(guān)節(jié)力矩估計方法,在僅采用位置測量信息的情況下,設(shè)計非線性速度估計器與分散積分滑?刂破鳎ㄟ^對一類自由空間下的三自由度可重構(gòu)模塊機器人進行實驗研究,驗證了所提出的速度、力矩估計方法及控制器的有效性。其次,提出了面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人分散積分滑?刂品椒,在不采用力/力矩傳感器的條件下解決了存在動態(tài)約束力與耦合模型不確定性的可重構(gòu)模塊機器人軌跡跟蹤問題。將積分滑模設(shè)計與分散控制策略相結(jié)合,基于獨立的關(guān)節(jié)動力學(xué)信息設(shè)計分散控制器,對包含摩擦力建模誤差,諧波傳動力矩偏差以及關(guān)節(jié)間耦合在內(nèi)的模型不確定性進行補償并削弱控制器抖振,確保機器人關(guān)節(jié)與末端執(zhí)行器精確跟蹤期望軌跡。 最后,對全文研究內(nèi)容進行總結(jié),并結(jié)合作者研究過程中的切身體會,對接下來的研究工作進行展望。
【關(guān)鍵詞】:
【學(xué)位授予單位】:吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】:博士
【學(xué)位授予年份】:2015
【分類號】:TP273;TP242
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6 劉廷順;相貫線全位置焊接機器人構(gòu)型及結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化[D];北京工業(yè)大學(xué);2011年
7 何武;室內(nèi)服務(wù)機器人的導(dǎo)航研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2011年
8 張成軍;可重構(gòu)機器人的設(shè)計及基礎(chǔ)性能研究[D];燕山大學(xué);2011年
9 李文廣;雙機器人標定方法研究及協(xié)調(diào)仿真[D];沈陽理工大學(xué);2011年
10 胡永涼;面向熔射制模的機器人研磨系統(tǒng)及實驗研究[D];華中科技大學(xué);2005年
本文關(guān)鍵詞:面向動態(tài)約束的可重構(gòu)模塊機器人力矩估計與分散控制方法研究,由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
本文編號:250395
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