文档介绍：武汉理工大学
硕士学位论文
非完整多关节机械手动力学特性的研究
姓名:何鹏
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:谭跃刚
20070501
中文摘要器人约敖嵌渴睾愕南低如带有机器人的卫星运动和半空中的跳水员或体操运动员5鼻霸诜峭暾煊虻难芯恐饕<性诜峭暾ρШ头峭暾低车脑动规划上,并且都是针对已有的非完整系统。而对于非完整机械手系统的研究也局限在其运动学和运动规划上,而要实现此类机械手控制的稳定性和精确性,则本文基于已有的非完整理论及非线性控制方法,将摩擦圆盘运动分解机构应用到多关节机械手臂上,在已有的模型上,对这种可控的四关节非完整机械手臂结构做了进一步改进和分析计算。分析了机械手设计中出现的问题,并提出了相根据四关节机械手的运动传递关系建立了其运动学模型,进一步,本文对此机械手进行了链式变换,这并不仅是因为一般的非完整系统可以转化为链式系完成链式变换后,本文研究了基于链式系统的运动规划方法,利用时间多项式输入控制的方法实现了对该多关节机械手臂的运动规划仿真。结果表明了通过链式变换可以有效地得到非完整机械手臂的轨迹规划和控制输入。最后,本学位论文利用拉格朗日力学方程,对四关节非完整机械手进行了动力学建模,推导出了此机械手的动力学模型。并由动力学模型进行了仿真。研究结果表明了非完整多关节机械手的动力学模型和一般机器人动力学模型具有相似性,因此我们可以利用分析一般机器人动力学特性的方法来研究非完整机械手。此外,利用进行非完整系统的动力学仿真的思想,对非完整系统的设计和优化有一定的参考意义。非完整约束主要存在于含有滚动接触的系统缍嘀富魅耸趾吐质揭贫必须研究其动力学特性。应的解决方案。统,更重要的是链式系统的控制是比较容易和成熟的。关键词:非完整,机械手臂,链式系统,动力学,四关节武汉理工大学硕士学位论文
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第一章绪论§峭暾低车难芯肯肿早在昵埃淞ρе芯统鱿至斯赜诜峭暾低的研究,而关于这类系统控制问题的研究还是近十几年来的事情。非完整系统来源于经典机械系统,其本质是存在不可积分线性约束系统【。随着现代控制理论,计算机技术,特别是微分几何等学科的飞速发展,促进了非完整复杂机械系统及其控制等方面的研究,尤其在航空航天领域和机器人领域取得了一非完整约束是指其约束方程含有广义坐标导数项且不能积分的约束,相应的系统就称之为非完整系统。例如,含有滚动接触的机械系统缁魅耸种浮⒙式移动机器人约敖嵌渴睾愕南低如太空机械手和在半空中的跳水员或体操运动员的运动】。这类问题通常是由于机械系统受到对速度的不可积约束引起的,这类约束不可通过积分的方法表示成位形空间的约束形式。完整约束是指其约束方程不含广义坐标导数项的约束,相应的系统称之为完整系统。因此,完整约束是把系统的运动限制在位形占渖系一个光滑超曲面上的约束,使系统不能在具有不同能级集合的位形之间自由运动。然而,对于非完整约束利用其非完整性我们可以实现不同位形之间的运动,汽车的运行就是具有此类运动特性的一个很好的实例。汽车的运动是受约束的,它的前后轮只允许滚动,而不允许侧向滑动。而实际上,汽车的运动在其位形空受到的约束是非完整的。由此可见,对于完全非完整系统,其运动可以是在位形之间的运动,例如在粗糙水平面作纯滚动的圆球、冰面上冰刀的运动、轮式机器人、椅子轮等的运动通常我们把系统的广义坐标的独立变分数目称为系统的自由度,由于完整系统的独立坐标数和独立坐标的变分数相等,因此完整系统的自由度数目就是独立坐标数目;而非完整系统的独立变分的数目为独立坐标的数目减去非完整约束方程的数目,因此其自由度数目等于独立坐标数目减去非完整约束方程的数目。所以对于非完整系统,可用比系统可到达位形空间维数少的控制输入数来确定其运动。正因为非完整系统的这些特殊的属性及其实用价值,使得非完整控制成为当前控制理论界的研究热点。定的成就。间不受任何限制时,是可以停泊在位形空间中的任何位置和方向上的,因此汽车在国内,以北京理工大学的博士生导师梅凤翔教授在非完整力学以及动力武汉理工大学硕士学位论文
学方面作了许多的工作。还有北航的霍伟教授和他的博士生们在非完整系统的控制及镇定方面作了不少研究H欢撬龅囊恍┭芯慷是基于已有的非完整系统铣迪低郴蛞贫〕,在非完整的其他领域还没有进行实际的研究。国外针对非完整系统的各种理论研究已经形成一定体系,在非完整控制系统的研究中,提出了链式结构和系统。链式系统对非完整系统的研究具有重要的意义,一方面是因为链式系统是一种结构最简单的非完整系统;另一方面是因为一般的非完整系统在满足一定的条件下可通过状态变换和输入状态反馈精确或近似地转化为链式系统,特别是大多数实际的非完整系统一般都可以化为链式系统