以不確定性機器人系統(tǒng)為研究對象基于計算力矩算法的各種補償控制策略

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摘 要
機器人的控制問題無論在理論界還是工程界多年來一直備受人們關(guān)注。眾所周知，在機器人的各種控制算法中，基于模型的計算力矩控制方法是十分有效的，其操作性能也是相當優(yōu)秀的。然而，這種控制算法必須面臨兩大難題，第一，必須實現(xiàn)對機器人動力學(xué)模型的快速計算；第二，必須事先精確了解機器人的動力學(xué)模型，因為計算力矩算法在模型未知的情況下魯棒性較差。但在實際中，即使獲得一個較為理想的機器人動力學(xué)模型也是很困難的，何況在操作過程中機器人動力學(xué)模型的各個參數(shù)可能發(fā)生變化，同時還受到環(huán)境干擾和負載變化等許多不確定性因素的影響。這是否說明計算力矩算法無能為力呢？
本論文以具有完整動力學(xué)模型的機器人系統(tǒng)，即不確定性機器人系統(tǒng)為研究對象，在現(xiàn)有文獻的基礎(chǔ)上，重點探討基于計算力矩算法的各種補償控制策略。
本論文首先介紹機器人的發(fā)展概論概況，然后對計算力矩控制算法的基本思想和主要特點作詳細的闡述，緊接著探討基于計算力矩結(jié)構(gòu)不確定性機器人的補償控制方案，其中的基本思想都是將不確定性機器人系統(tǒng)分解成標稱系統(tǒng)和不確定系統(tǒng)：對于標稱系統(tǒng)，采用計算力矩控制；對于不確定系統(tǒng)，利用機器人系統(tǒng)的回歸矩陣或集中不確定性上界的包絡(luò)函數(shù)，設(shè)計不同的補償控制器。兩者疊加作為整個機器人系統(tǒng)的控制輸入，使機器人閉環(huán)系統(tǒng)實現(xiàn)全局一致最后有界、漸近穩(wěn)定甚至指數(shù)穩(wěn)定。對所設(shè)計的控制器分析了穩(wěn)定性、魯棒性等品質(zhì)指標，并且對同一個二自由度串聯(lián)機器人的計算機仿真證明了其有效性和可行性。

關(guān)鍵詞　不確定性機器人，計算力矩控制，魯棒自適應(yīng)，全局穩(wěn)定最后有界，機器人運動學(xué)，S-Function仿真
目 錄
摘 要 I
Abstract II

第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 機器人學(xué)的發(fā)展 1
1.2.1 機器人的定義 1
1.2.2 機器人的分類 2
1.2.3 工業(yè)機器人的發(fā)展概況 3
1.3機器人結(jié)構(gòu)與工作原理 5
1.3.1機器人系統(tǒng)的的結(jié)構(gòu) 5
1.3.2 機器人系統(tǒng)的工作原理 5
1.4 本課題研究的內(nèi)容、目的和意義 6
1.4.1 內(nèi)容 6
1.4.2目的 6
1.4.3意義 6
第2章 機器人學(xué)及預(yù)備知識 7
2.1機器人的運動學(xué) 7
2.1.1 運動學(xué)正向問題 7
2.1.2運動學(xué)逆向問題 8
2.2機器人的動力學(xué) 11
2.2.1 機器人平動運動動力學(xué)模型建立 11
2.1.2 機器人旋轉(zhuǎn)運動動力學(xué)模型的建立 13
2.3預(yù)備知識 14
2.3.1平行移動 14
2.3.2 旋轉(zhuǎn) 15
2.3.3齊次變換 17
2.3.4 機器人的雅可比矩陣 17
2.4本章小結(jié) 21
第3章 機器人數(shù)學(xué)模型建立 23
3.1應(yīng)用拉格郎日方法建立機器人動力學(xué)模型 23
3.2機器人完整動力學(xué)模型的建立 27
3.3機器人動力學(xué)結(jié)構(gòu)特性 28
3.4仿真模型的建立 30
3.5預(yù)備知識 31
3.6本章小結(jié) 33
第4章 機器人的計算力矩控制 35
4.1 計算力矩法的基本思想 35
4.2 僅對標稱模型的計算力矩控制 35
4.3 仿真研究 37
4.5本章小結(jié) 38
第5章 應(yīng)用計算力矩的補償控制結(jié)構(gòu) 39
5.1集中補償不確定性的控制策略 40
5.1.1不確定性約束參數(shù) 已知 41
5.1.2 不確定性約束參數(shù) 未知 46
5.2 不確定性分解的魯棒自適應(yīng)控制 51
5.3本章小結(jié) 55
結(jié) 論 57
參考文獻 59
附錄1 61
附錄2 63
附錄3 79
附錄4 89
致謝 97

參考文獻
1 柳洪義，宋偉剛．機器人技術(shù)基礎(chǔ)．北京：冶金工業(yè)出版社，2002
2 熊有倫．機器人學(xué)導(dǎo)論．北京：機械工業(yè)出版社，1993
3 申鐵龍．機器人魯棒控制．北京：清華大學(xué)出版社，2000
4 孫迪生，王炎．機器人控制技術(shù)．北京：機械工業(yè)出版社，1997
5 高德林．機器人學(xué)導(dǎo)論，上海：上海交通大學(xué)出版社，1988