多故障并发可重构机械臂主动分散仪错控制方法研究

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1、多故障并发可重构机械臂主动分散仪错控制方法研究第1章绪论1.1选题的目的及意义随着现代高、精、尖科学技术以及经济全球一体化的不断推进，传统产业正经历着不可逆转的变革，系统规模与复杂性越来越高。这样的系统一旦发生故障，轻则降低系统性能，影响产品质量，重则停机停产，损坏设备，甚至会造成人身伤害。国内外曾经发生的各种空难、海难、断裂、坍塌、泄露等恶性事件，均造成了巨大的人员伤亡和严重的经济损失。在航空航天领域，最近几年也是事故频发。2010年6月10日，韩国罗老号在经历了数次推迟之后发射，然而仅137秒后在距离地面70公里的空中爆炸坠毁，再次重创韩国人

2、的航天梦，时至今日，故障原因仍未有定论。2010年12月5日，俄罗斯质子-M火箭由于程序错误，导致火箭加注了过量燃料，发射不久后溅落太平洋，直接经济损失1.38亿美元。2011年8月24日，装载了数吨物品的俄罗斯进步M-12M飞船在发射不久后坠入西伯利亚地区。在化工生产方面，2013年6月26日烟台化工厂及同年9月14日抚顺化工厂发生的爆炸造成的人身伤亡和财产损失均由于控制系统出现故障所致。另据一份交通事故原因统计，25%是由于车辆性能、机械故障引起，其中货车发生交通事故的原因分析中，刹车失灵占据了机械故障的90%以上。此外，在制药、精密装配及加

3、工等工业或工艺生产过程中，由系统故障引发损失的案例不胜枚举。因此，提高系统的可靠性与安全性对保障操作人员的人身安全、降低经济损失以及提高生产效率具有积极的意义。容错控制是提高复杂系统的可靠性与安全性的有效手段，自从上世纪70年代以来，得到了广大研究人员的重视，并迅速发展。..1.2可重构机械臂的研究现状综述可重构机械臂概念的出现可追溯到1988年卡内基•梅隆大学的RMMS[2]。这是世界上出现最早的工业用可重构模块机械臂系统，近年来又出现了许多具有代表性的可重构机械臂系统。加拿大多伦多大学设计出一种柔性夹具六自由度可重构手爪(如图1.1

4、)[3]，其不但可以进行夹持处理，还可以起到固定板的作用，为新车模型装配不同零件只需要重新编程。在空间应用方面，比较有代表性的是日本著名机器人研究机构NASDA、东京工业大学与KEIO大学合作研究并提出的可重构分支空间机器人(RBR)系统[4]，其可以以分支形式搬运国际空间站当中的实验模块，并根据不同的任务要求来改变构形。东京大学的可重构在轨机器人[5]是一种无线通信卫星的雏形，可用来进行卫星的装配实验。马里兰大学空间系统实验室在2006年成功研发了一种高级小型可重构空间机器人MORPHbots，用来进行灵巧空间操作[6]。根据系统模块的种类，已

5、损坏的部件可以由其它的部件代替，机械臂可以通过改变运动学构形更好地适应任务目标，如在空间站进行结构装配或卫星维修。图1.2为能够完成哈勃望远镜器件更换任务的MORPHbot系统模型。美国在2008年推出战场可变形机器人龙信使，它是一种可重构地面机器人系统，重量不到20磅，可以通过标准背包由一个人携带，并且具备野外变形的能力，可以在战场中快速的组装拆解，即一组可重构机器人可完成多种不同任务[7]。据《新科学家》杂志2009年报道，一款吞服式机器人研制成功。患者可将一块块的ARES机器人(即可重构装配腔内手术系统)吞入腹中，或由医生通过自然开口将其一

6、块块插入人体，然后它们会在体内自行组装。这样一来，外科医生在少切口或根本不用切口的情况下也能对患者进行手术。图1.3为ARES吞服式机器人。第2章基于局部模块信息的可重构机械臂控制方法2.1引言传统机械臂的控制系统一般采用集中控制方式，这种方法针对固定结构的机械臂来说，无疑是一种有效的途径。但可重构机械臂是一种可通过增减、互换模块等方式改变自身的构形，从而适应不同的任务环境，完成不同的控制任务，此时系统动力学模型将发生改变，若每次变换构形时都对其重新进行建模，再进行控制器设计，会造成操作人员时间、精力的浪费，不能充分体现出可重构机械臂的特点。此外

7、，集中控制的控制器一般维数较高，结构复杂，计算量大，更不利于工程应用，特别是对于随着机械臂自由度的增加，这些问题将更加严重。另一种有效的控制方式是分布式控制，其可简化控制结构，并降低算法的计算复杂度，越来越受到人们的重视。这种方法的控制单元是按照子系统分布的，需要事先将整个系统的控制目标按照一定的方式分配给各个子系统的控制单元，各相邻子系统在控制过程中进行必要的数据交换。因此，这种方式使得控制器的可靠性、灵活性均有所改善，但是其仍然需要相邻模块的信息，并存在一定的通信时延。分散控制结构对解决高维度、强耦合系统的控制问题非常有效，特别是对于可重构机

8、械臂这类结构不固定的系统来说。此方法将系统的输入配置到一组局部控制器，且只观测局部系统的输出，使控制系统的复杂性从系统级变为模块级，这样