绳驱动拟人臂机器人动力学建模与控制方法研究

bb20920d · 发表于 2022-5-13 22:13:30

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雅宝题库解析：
人类在漫长的进化中形成的手臂既有较大的工作空间，较好的承载能力，又有突出的灵活性，因此，一个拟人手臂的机器人具有很好的实用价值。绳驱动拟人臂机器人使用绳驱动技术可将电机全部安放在机座，有效地减轻了手臂的自重，并提高了快速响应能力。本文综合分析和研究了绳驱动拟人臂机器人在取得最佳拟人效果时的动力学建模和控制题目。首先分析了绳驱动拟人臂机器人的逆向运动学模型。介绍了基于梯度投影法的速度级逆解，其求解速度比较快。由于速度解的位置精度难以保证，为提高运动控制精度，在求出各个关节角的速度级逆解后，采用子题目法求解得到位置级的逆运动学封闭解。然后根据几何关系建立绳长与关节角的关系，得到各绳索的长度，并进行了仿真验证，为动力学的研究做好铺垫。从局部入手，建立了绳驱动拟人臂机器人肩关节的拉格朗日动力学模型。针对并联式绳驱动，在满足要求的条件下，将肩关节简化分析，采用拉格朗日方法，建立了便于控制器设计的标准二阶动力学方程。考虑到绳驱动的冗余特性及绳索的单方向受力性，对绳索进行张力分配，将广义力矩转换为绳索的驱动力。针对机器人轨迹跟踪控制题目，设计了基于后推技术的系统模型控制律，它在收敛速度方面明显优于传统的PD控制方法和计算力矩法，具有较好的跟踪效果。对机构整体进行分析，建立了绳驱动拟人臂机器人的迭代牛顿-欧拉动力学模型。将绳驱动拟人臂机器人视为基座、大臂、小臂和末端四连杆串联机构，采用迭代牛顿-欧拉法建立其动力学方程的递推形式。然后利用张力分配算法求解出各绳索的驱动力。与未进行张力分配的情况相比，使用张力分配算法可使各绳索驱动力皆满足其张紧所需的最小张力。为使各绳索驱动力能随着不同的工作条件实时调节，以满足机构刚度的不同要求，提出基于动态最小预紧力的张力分配算法，求解各绳索的驱动力。肩、肘、腕关节的动态最小预紧力随着调节公式中参数的变化而变化，该方法得到的绳索张力可随动态最小预紧力的改变而改变，起到实时调节的效果。

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