70000字硕士毕业论文快速终端滑模在机械手姿态控制中的应用

论文类型：硕士毕业论文

论文字数：70000字

论点：控制,自由度,机器人

论文概述：

本文以六自由度串联机械臂为研究对象，分析了各关节几何参数、运动参数与末端执行器位姿的对应关系。详细研究了全局快速终端滑模控制方法，并将其应用于六自由度机械臂的位姿控制中。

论文正文：

第一章绪论

1.1研究背景和意义
1.1.1研究背景和来源
作为广西科研技术开发项目“六自由度工业机器人产品开发(10100001-8)”的一部分，本文以六自由度机械手为对象，建立了系统的运动学模型和动力学模型，详细研究了全局快速终端滑模控制方法，并将该方法应用于六自由度机械手姿态控制的仿真和实验。同时，分析了全局快速终端滑模控制方法在姿态控制中的适用性。
1.1.2研究目的和意义
随着自动控制理论的发展和人类的需求，机器人的发展日新月异，结构简单、操作方便、功能强大是一个重要的发展方向，其中三个相邻轴相交于一点的一系列六自由度机械手是工业机器人[1]的典型代表。这种机器人广泛应用于不同的工业场合，如汽车装配、货物装卸、深海探测等。这种机器人是一个具有强对称性和多状态变量的高阶复杂非线性不确定系统[2]。这种机器人的建模与控制一直是国内外最有吸引力的研究领域。机器人系统是一个高度复杂的不确定系统。不确定性主要包括两种类型:结构不确定性和非结构不确定性。非结构性不确定性主要由外部干扰、计算中的采样延迟、舍入误差等非受控目标因素造成。结构不确定性是指与控制对象直接相关的不确定性，如参数不确定性和未建模动态[3]。这些不确定因素使得难以准确建立分布参数的系统动力学模型，从而增加了具有完全鲁棒性的控制器的设计难度。
近年来，随着机器人建模越来越受到重视，其姿态控制问题越来越受到重视，以满足柔性姿态控制和高稳态精度的要求。因此，引入并发展了许多非线性控制方法来改善控制系统的动态和静态性能指标，如神经网络控制、模糊控制、自适应控制以及各种智能控制方法的结合。全局快速终端滑模控制方法[4]是变结构控制方法之一，已成功应用于许多领域。然而，全局快速终端滑模控制方法在六自由度机械手姿态控制中的应用目前还很少。研究其在六自由度机械手姿态控制中的应用具有理论和实际意义。基于全局快速终端滑模方法的非线性控制理论在六自由度机械臂姿态控制中的应用，拓展了变结构方法的应用领域。

1.2机器人动力学方程的建立方法和注释
工业机器人作为一个非常复杂的动力学系统，提出了多种基于不同力学方程和原理的动力学分析方法，如牛顿-欧拉方程、凯恩方程、拉格朗日方程等。牛顿-欧拉方程动力学方法(Newton-Euler equation dynamic method)是基于牛顿方程和欧拉方程，通过分析机器人的速度和加速度而得到的机器人动力学算法。建立机器人牛顿-欧拉动力学模型的思想是利用牛顿-欧拉刚体动力学公式，在已知各连杆的速度、角速度和转动惯量的情况下，推导出机器人各关节执行器的驱动力和驱动力矩的递推公式，然后由公式[3]推导出机器人机械系统矩阵形式的运动方程，即机器人的动力学模型。该方法具有明确的物理意义，但当系统模型过于复杂或阶数较高时，运动方程的数量急剧增加，这无疑增加了求解的难度。这种方法广泛应用于单刚体系统。凯恩方程是由斯坦福大学的凯恩于1961年提出的。凯恩通过偏转速度计算达朗贝尔的广义惯性力和广义主动力。采用广义坐标和最小方程数的计算方法，避免了动能二次推导的复杂计算过程。凯恩方程没有理想的约束力。该方程是通过将惯性力和主动力以矢量形式投影到特定的基矢量上而得到的。它具有分析力学和矢量力学的特点，但所得动力学方程有局限性。在计算丁阿尔·恩伯广义惯性力和广义主动力的过程中，如果挠度速度选择不当，计算过程会相当复杂，很难得到正确的结果。在研究机器人动力学的过程中，拉格朗日方程(指第二类方程)是一种出现较早、应用广泛的算法。该方法将系统视为一个整体，并使用广义坐标功和能量来表示它。因此，不起作用的力和约束力将自动消除由该方法导出的等于整个系统自由度的方程数，其形式为常微分方程。然而，这种方法需要两次导出动能。当系统的自由度相对较大时，所计算的微分方程相对较长。正是因为这种方法只需要系统的动力和势能，不考虑运动物体之间的约束力，所以建模过程比凯恩方法和牛顿-欧拉方法更简单，在混合坐标系中更容易建模。基于上述方法的特点，结合六个自由机械手的本体结构特点，利用拉格朗日方程建立了六个自由机械手的动力学模型。

1.3机器人姿态控制方法概述
经典控制理论由于其简单有效的特点，仍然广泛应用于机器人姿态控制领域[14-17]。例如，基于参考文献[15]中的多刚体系统模型，针对液压并联六自由度机械手的非线性特性，提出了一种带重力补偿的局部放电控制方法，降低了系统的稳态误差，提高了控制系统的性能。参考文献[[18]，在雅可比矩阵不确定的条件下，提出了一种机械臂系统鲁棒PID控制器设计方法，有效抑制了外部扰动对系统输出的不利影响，具有简单高效的特点。然而，与其他领域一样，经典控制理论在机器人领域的应用也面临着严峻的挑战。由于模型的不精确性、运动的复杂性以及对机器人姿态控制性能指标要求的大幅提高，阻碍了传统控制方法在这类复杂系统中的广泛应用，迫使人们寻求新的控制方案。这些方案都是为了减少模型不确定性和参数不确定性对控制系统的影响，从而提高控制系统的鲁棒性和适应性。鲁棒控制、自适应控制、智能控制(模糊逻辑、神经网络等)。)和变结构控制，以获得更好的控制性能指标。

1.4本文的主要研究工作是……16-17
第二章六自由度机械手的运动学和动力学……17-30
2.1导言……17
2.2机械手姿态分析……17-20
2.3六自由度机械手正向运动学分析……20-23
2.4六自由度机械手的动力学方程……23-27
2.5六自由度机械手动态开环特性分析……27-29
2.6本章概述……29-30
第三章基于全局快速终端滑模的六自由度机械手位置和姿态控制……30-51
3.1导言……30 [/BR/] 3.2滑模变结构控制的基本思想……30-31[/比尔/] 3.3……基于状态方程3.4的全局快速终端滑模控制器设计二自由度机械手位置姿态闭环控制仿真与分析……35-39
3.5六自由度机械手位置姿态闭环控制仿真与分析……39-45
3.6两种方法下模拟控制效果的比较……45-50
3.7本章概述……50-51
第四章六自由度机械手位置姿态控制实验与分析……51-64
4.1导言……51
4.2六自由度机械手姿态控制实验平台……51-52
4.3……52-58
无扰动4.4六自由度机械手在扰动下的位置和姿态控制实验……58-61
4.5末端执行器精度验证……61-63
4.6本章概述……63-64
第五章六自由度机械手综合监控系统的开发……64-71
5.1导言……64
5.2控制器软件开发环境……64-66
5.3六自由度机械手综合监控接口系统的实现……66-70
5.4本章概述……70-71

结论

以六自由度串联机械手为研究对象，分析了几何参数、运动参数与末端执行器姿态之间的对应关系。详细研究了全局快速终端滑模控制方法，并将其应用于六自由度机械臂的姿态控制。具体工作概述如下:
1。根据六自由度机械臂各关节的运动规律建立连杆坐标系。分别用改进的D-H参数法和拉格朗日分析力学方法得到了车身的运动学模型和动力学模型。基于MATLAB实验平台验证了模型的正确性，为控制器的设计奠定了基础。
2。将六自由度机械手的动力学模型转化为各关节子系统的状态方程，避免了为多输入多输出非线性系统设计全局快速终端滑模控制器的复杂计算过程。在有无扰动的情况下，将PID控制效果与全局快速终端滑模控制效果进行了比较。仿真结果表明，全局快速终端滑模方法能够在保证控制精度的情况下提高系统的响应速度，对外部干扰具有一定的鲁棒性。
3。基于xPCTarget快速控制原型的实验平台验证了全局快速终端滑模控制算法具有较好的实时性，使其应用于六自由度机械手的实时控制成为可能。
4。研究了六自由度机械手各关节的协调运动控制技术。通过各轴的固定位置跟踪实验和末端执行器的精度验证实验，全局快速终端滑模控制方法可以提高系统的收敛速度和鲁棒性。
根据上述工作，得出以下结论:
1。对于机器人等具有关节子系统的控制对象，其复杂的数学模型可以分解为SISO系统的组合，其中单个关节的多个状态变量被组合，从而避免了控制器设计中复杂的计算过程。
2。本发明能够提高六自由度机械手的执行效率。

参考

[1]朱瑞奇·阿·姆，艾尔玛拉希·威赫.国际先进制造技术杂志，2010，46(5-8): 831-842。
[2]内拉·M·B·R，塔拉克·德.国际自动化与计算杂志，2011，8(2):215-220。
[3]石贤鹏，刘世龙。机械手轨迹跟踪控制的研究进展。《控制工程[杂志》，2011，18 (1): 116-123。
[4]奥尔洛夫y V，乌特金V . I .无限维系统中的滑动模态控制[J]。自动1987，23(6): 753-757。
[5]回宇，王永骥，许建省。不完全移动机器人编队的滑模控制[[]。机器人，2006。28(4): 428-432。
[6]纳耶里普尔(NAYERIPOUR M)，纳里马尼(NARIMANI M R)，尼克南特(NIKNAM T)，等. UPFC改善功率振荡阻尼的滑模控制器设计[[]。应用软计算，2011，11(8): 4766-4772。
[7]达斯·古普塔2，穆鲁云贾亚·T·s .机制与机器理论，2007，42(12): 1668-1671。
[8]丹·M，郭海英，徐世平.流体输送管道整体运动的非线性动力学模型.应用数学建模，2011，35(2):781-796。[[br/][[9]奈尔·温瑞，科尔伯恩.贻贝延绳系统动力学[]。水产工程，2003，27(3)；191-212。
[10]杨向东张丽丽卢敦敏。基于凯恩方法的五杆人机合作机器人动力学分析与仿真[[J]。系统模拟杂志