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欠驱动三连杆机器人控制策略研究

张镇  
【摘要】:本论文以欠驱动三连杆机器人为对象,研究欠驱动机械系统的控制策略。欠驱动三连杆机器人以其重量轻、成本低、能耗少等众多优点,在工业机器人、太空机器人及外星探索等应用领域具有良好的应用前景。本论文针对欠驱动三连杆机器人现有控制方法存在的问题,分析欠驱动三连杆机器人的内在特性,提出基于能量的模糊控制、基于能量解耦的控制策略和基于能量解耦与姿态调节的控制策略,为欠驱动机械系统控制提供有效的新方法。 首先,利用拉格朗日方程建立欠驱动三连杆机器人的动力学模型,并分析系统的运动特性,依据系统运动特性划分运动区间为摇起区和平衡区。 接着,在摇起区针对欠驱动三连杆机器人的两个驱动关节设计控制律分别控制部分连杆姿态和能量;同时设计模糊控制器调节能量控制律的设计参数,使系统能量能收敛到在竖直向上的不稳定平衡点所具有的势能并进入吸引区。吸引区内采用基于LQR (Linear Quadratic Regulator)的平衡控制律将系统稳定在竖直向上平衡点。 随后,为解除欠驱动三连杆机器人在摇起控制中能量与部分连杆状态、力矩间的强耦合关系,将摇起区进一步划分为摇起子区间一和摇起子区间二。在摇起子区间一,设计控制律调整部分连杆姿态直至与前一杆保持自然伸展,使系统的能量和这部分连杆状态能够通过相应驱动进行独立的控制;在摇起子区间二,设计控制律增加系统能量至竖直向上的不稳定平衡点所具有的势能,使系统能顺利进入吸引区。 最后,为了使系统快速进入吸引区范围,提出一种基于能量解耦与姿态调节的控制策略,在解耦控制调整系统姿态的同时快速增加系统能量,从而使系统快速满足吸引区的条件,缩短系统总体控制时间。


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