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机械设计基础第2章 平面机构的运动简图及其自由度
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3秒自动关闭窗口七自由度仿人机械臂轨迹规划与控制方法研究--《浙江工业大学》2012年硕士论文
七自由度仿人机械臂轨迹规划与控制方法研究
【摘要】：乒乓球机器人与一般工业机器人相比，其结构更复杂，运动更快速，准确性更高，这给乒乓球机器人的相关研究带来了很大挑战；要让机器人以恰当的时间、位姿、速度做到灵活地击打乒乓球，就必须对其执行机构——机械臂进行轨迹规划及控制策略方面的深入研究。
本文根据乒乓球机械臂运动要求，按照“机械臂模型建立→机械臂运动学与动力学分析→机械臂轨迹规划→控制方法研究”的思路，利用组合正弦函数轨迹规划方法对七自由度仿人机械臂各关节进行轨迹规划，将改进的自适应迭代学习控制方法对机械臂进行控制，实现仿人机械臂快速运动、准确击球的动作目标。
本文首先分析了乒乓球机械臂的冗余模型和击球要求，应用几何法及连杆位姿关系求解出了各关节变量的运动学逆解，推导了雅可比矩阵的伪逆从而求取了击球时刻关节的运动速度；使用递推牛顿-欧拉算法求解机械臂动力学方程，并实例化了该算法的对关节驱动力矩的计算结果。
针对以往轨迹规划方法规划的轨迹曲线不平滑或不连续的缺点，将对称组合正弦函数法对机械臂进行轨迹规划，设计了曲线调整参数，获得了平滑连续的加速度曲线；通过将对称组合正弦函数曲线以2:3的比例进行非对称化，解决了快速运动的机械臂产生的残留振动问题；并分析验证了对称化和非对称化组合正弦函数轨迹规划方法均具有二次规划的能力。
在研究自适应迭代学习控制理论的基础上，通过增加参数不确定项补偿器和引入饱和函数设计了改进的AILC控制策略，减小了参数不确定的影响和控制力矩的抖振。并将改进的AILC控制算法应用到机械臂的控制中，利用Matlab/Simulink搭建了系统的控制模型，以非对称组合正弦函数法规划的轨迹曲线为参考信号，仿真结果表明机械臂系统在该控制方案下有良好的动态性能，达到机械臂的击球目标。
【关键词】：
【学位授予单位】：浙江工业大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2012【分类号】：TP242【目录】：
摘要5-6ABSTRACT6-10第1章 绪论10-18 1.1 课题背景介绍10-11 1.2 国内外研究现状11-16
1.2.1 乒乓球机器人发展现状11-14
1.2.2 轨迹规划研究现状14-15
1.2.3 机器人控制技术概述15-16 1.3 本课题所做主要工作和内容安排16-18第2章 七自由度仿人机械臂模型建立18-26 2.1 位置和姿态的表示19-20
2.1.1 位置描述19
2.1.2 方位描述19-20
2.1.3 位姿描述20 2.2 机械臂参数和坐标系建立20-21 2.3 齐次坐标和变换矩阵21-22 2.4 机械臂的 D-H 描述22-23 2.5 机械臂的雅可比矩阵23-25 2.6 本章小结25-26第3章 七自由度仿人机械臂运动学与动力学分析26-37 3.1 乒乓球机械臂运动学分析27-32
3.1.1 由末端位姿求关节角：逆运动学分析27-30
3.1.2 由关节角求末端位姿：正运动学验证30-32 3.2 机械臂关节速度的求取32-33 3.3 仿真实例33-34
3.3.1 逆运动学数值计算33-34
3.3.2 正运动学数值验证34 3.4 机械臂动力学34-36
3.4.1 动力学基本方程34
3.4.2 递推牛顿-欧拉方程的动力学算法34-36 3.5 本章小结36-37第4章 七自由度仿人机械臂轨迹规划37-51 4.1 轨迹规划的一般问题37-38 4.2 轨迹规划方法研究38-48
4.2.1 组合正弦函数轨迹规划方法38-43
4.2.2 非对称组合正弦函数轨迹规划方法43-48 4.3 轨迹曲线的二次规划48-50 4.4 本章小结50-51第5章 七自由度仿人机械臂自适应迭代学习控制研究51-63 5.1 仿人机械臂系统整体简述51-52 5.2 自适应迭代学习算法概述52 5.3 改进的自适应迭代学习控制52-62
5.3.1 控制律设计及收敛性分析53-62 5.4 本章小结62-63第6章 总结与展望63-65 6.1 结论63 6.2 展望63-65参考文献65-68致谢68-69攻读学位期间参加的科研项目和成果69
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