一类平面多连杆欠驱动机械臂的运动控制

一类平面多连杆欠驱动机械臂的运动控制

非完整欠驱动机械系统的控制是目前非线性系统控制的一个重要领域。本文以具有一阶非完整约束的平面多连杆欠驱动机械臂(简记为:平面

PA^n-1机械臂,其中P代表被动连杆,A代表主动连杆,上标n-1为主

动连杆的数目,n?3)为对象,对其运动控制问题进行深入研究。

在分析系统运动特性的基础上,对平面PA^n-1机械臂的末端点

位置控制问题、末端连杆姿态控制问题以及该系统的鲁棒控制问题具体展开探讨。论文的主要研究成果和创新点如下:（1）针对平面PA^n-1机械臂的

末端点位置控制问题,提出一种基于在线智能优化算法的三阶段控制策略。

为降低控制策略设计的复杂程度,将平面PA^n-1机械臂降阶为

平面虚拟三连杆欠驱动机械臂。设计一种二阶段控制策略实现平面虚拟三连杆欠驱动机械臂的末端点位置控制。

在每一个控制阶段中,又将平面虚拟三连杆欠驱动机械臂降阶为平面虚拟Acrobot。采用在线差分进化算法,根据系统末端点的目标位置和两个平面虚拟Acrobot的角度约束关系,计算平面虚拟三连杆欠驱动机械臂中所有连杆的目标

角度。

为平面虚拟三连杆欠驱动机械臂的二阶段控制分别设计系统控制器,并通对仿真对比实验验证所提控制策略的优越性。（2）针对平面PA^n-1机

械臂的末端点位置控制问题,提出一种基于混合智能优化算法的二阶段控制策略。

在降低控制器设计复杂程度的同时,还提升了运动控制的快速性。在第一阶段控制中,将平面PA^n-1机械臂直接降阶为平面虚拟Acrobot,并在

第二阶段控制中借助平面虚拟Acrobot的角度约束关系,实现系统末端点的位置

控制目标。

根据各控制阶段所有驱动连杆的控制目标,设计各阶段的系统控制器,并基于李雅普诺夫方法验证各闭环系统的稳定性。为保证所有连杆的目标角度、被动连杆在第一控制阶段末的角度与平面虚拟Acrobot驱动连杆的初始角度,满足平面虚拟Acrobot的角度约束关系,设计混合智能优化算法计算平面

PA^n-1机械臂中所有连杆相对于系统末端点目标位置的目标角度。

通过三组数值仿真验证所提位置控制策略的有效性与快速性。（3）为实现平面PA^n-1机械臂的位姿控制目标,提出一种基于系统运动耦合关系和智能优化算法的连续控制策略,采用单一控制器就能实现一类非完整系统的有效控制。

通过进一步分析平面PA^n-1机械臂的角速度约束关系,找出一种平面PA^n-1机械臂中驱动连杆与被动连杆间的运动耦合关系。依据这种运动耦合关系和所有驱动连杆的控制目标,对平面PA^n-1机械臂中所有驱动连杆设计PD控制器。

为克服应用PD控制器时所带来的初始控制力矩“突变”问题,进一步将PD 控制器改进为步进式PD控制器。采用差分进化算法计算平面PA^n-1机械臂中所有连杆针对系统位姿控制目标的目标角度和步进式PD控制器参数。

通对仿真对比实验验证所提控制策略的优越性。（4）针对平面

PA^n-1机械臂位置控制的鲁棒性设计问题,提出一种基于径向基神经网络和在线迭代修正方法的鲁棒控制策略,克服了参数摄动和外界扰动对控制性能的影响。

建立具有参数摄动和外界扰动的平面PA^n-1机械臂不确定数学

模型。对所有驱动连杆设计基于径向基神经网络的自适应鲁棒控制器。

同时,使用自适应鲁棒控制器将平面PA^n-1机械臂降阶为平面虚拟三连杆欠驱动机械臂。采用在线差分进化算法,基于平面PA^n-1机械臂的公称模型参数以及系统末端点的目标位置,求取平面虚拟三连杆欠驱动机械臂中所有连杆的目标角度。

采用二阶段控制方法对平面虚拟三连杆欠驱动机械臂进行位置控制,在每一个控制阶段中,将平面虚拟三连杆欠驱动机械臂再次降阶为平面虚拟Acrobot。为消除由于系统模型参数摄动导致的位置控制偏差,设计一种在线迭代修正方法修正平面虚拟三连杆欠驱动机械臂中所有连杆的角度,并最终实现系统鲁棒控制目标。