[发明专利]平面4R欠驱动机械臂位姿控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种平面4R欠驱动机械臂位姿控制方法，实现了第四关节为被动关节的平面4R欠驱动机械臂末杆的位姿控制，即机械臂末端在跟踪直线或圆弧轨迹的同时实现了对被动杆的姿态控制。

背景技术

在全驱动机械臂的控制中，机械臂的各个关节是由各自电机单独控制驱动的，这在运动控制上相对比较简单，一般情况下只需要从运动学角度即可实现机械臂的运动控制目标。但随着现代科学技术的发展，对机械产品的设计有了新的挑战，轻质量、低能耗、高速度、智能化成为现代机械设备的发展趋势，近些年出现的含有被动关节的欠驱动机械臂，为降低重量提供了新的思路。欠驱动机械臂是指机械臂的某个或某些关节不具有驱动装置，由于驱动的减少，使机械臂的重量减轻了，成本也降低了，同时也就减少了能源的消耗，在太空、深海及核工业环境具有重要的现实意义，诸多优点使这种机器人很有研究价值，成为近些年机器人研究领域的热点。

目前，国内外学者就欠驱动机器人的运动控制问题进行了一些研究。美国的Marcel Bergerman等研究的带有非驱动关节的两关节和三关节机器人，这种机器人的控制是通过在自由关节处加了一个制动装置来实现的。这样的装置可消除机器人手臂之间的耦合，通过适当地组合开、关状态使整个机器人得以控制。BANAVAR等对平面3R两主动关节欠驱动机器人的可控性进行了研究，指出了除了第一关节为被动关节，其他情况都满足小时间局部可控性的充分条件。以上成果集中于对欠驱动系统的可控性和耦合指标等基础理论的研究，依赖于系统精确的动力学模型。

ARAI等运用反馈控制策略实现了平面3R机器人的位置控制。何广平等提出了一种欠驱动机械臂的动力学操作性指标，并基于非线性控制技术完成了对欠驱动冗余机械臂的自运动流形控制。陈炜等利用PID方法提出2R柔性欠驱动机械臂的分段位置控制策略并进行了仿真和实验研究。刘庆波等利用遗传算法和变结构控制方法对欠驱动机器人的最优运动规划与轨迹跟踪控制问题进行研究。方道星、张雨等基于模糊控制理论针对欠驱动机械臂的位置控制和轨迹跟踪进行了仿真和试验研究。以上成果主要是关于欠驱动机器人的位置控制或者轨迹跟踪控制。欠驱动机械臂受到二阶非完整约束，只能利用主动关节和被动关节之间的动力学耦合作用间接进行控制，控制难度大。欠驱动机械臂是时变、强耦合、高度非线性的系统，而现有的控制方法都基于系统精确的动力学模型，实时计算量很大，对控制器运算速度的要求就很高。基于模型的控制器对模型误差、系统参数变化以及外部干扰比较敏感，影响控制效果和精度，不利于实现对欠驱动机械臂的精确控制。而且，同时实现欠驱动机器人位置和姿态的控制难度更大，具有更高的理论意义和学术价值。

发明内容

要实现水平运动机械臂的位置和姿态控制，全驱动机械臂至少需要3个自由度。而对于欠驱动机械臂而言，由于至少存在一个自由关节，因此，具有三个自由度的机器人很难同时实现其位置和姿态的控制。以具有4个转动副的平面欠驱动机械臂为对象进行研究，以末杆的姿态控制和末端点的轨迹跟踪控制为目标，基于模糊控制理论设计控制器，利用ADAMS和MATLAB联合仿真对控制器进行仿真分析。

本发明基于模糊控制理论，研究水平运动的4自由度欠驱动机械臂的位置和姿态控制方法。根据分层控制思想，制定的控制策略为：控制第一和第二主动关节的运动实现末端点的轨迹跟踪，控制第三主动关节实现末杆的姿态控制。

图1为平面4R欠驱动机械臂的结构示意图，该机械臂的结构包括欠驱动机械臂的第四杆1、欠驱动机械臂的第三杆3、欠驱动机械臂的第二杆5、欠驱动机械臂的第一杆7、第四编码器2、第三编码器4、第二编码器6、第一编码器8、基座9、第一主动关节伺服控制端10、第二主动关节伺服控制端11、第三主动关节伺服控制端12、被动关节13；被动关节13未设伺服控制端，处于完全自由状态。伺服控制端由驱动电机和减速器组成，伺服控制端由相应编码器控制，驱动电机和减速器连接，减速器的输出轴和各主动关节连接。

欠驱动机械臂的第四杆1、欠驱动机械臂的第三杆3、欠驱动机械臂的第二杆5、欠驱动机械臂的第一杆7依次连接组成平面4R欠驱动机械臂的主体结构，第四编码器2、第三编码器4、第二编码器6、第一编码器8依次设置在欠驱动机械臂的第四杆1、欠驱动机械臂的第三杆3、欠驱动机械臂的第二杆5、欠驱动机械臂的第一杆7的末端，第一主动关节伺服控制端10、第二主动关节伺服控制端11、第三主动关节伺服控制端12分别设置在第一编码器8、第二编码器6、第三编码器4的底部，被动关节13设置在第四编码器2的底部；第一主动关节伺服控制端10安装在基座9上。