受环境约束的可重构机械臂系统鲁棒分散容错控制方法研究

《受环境约束的可重构机械臂系统鲁棒分散容错控制方法研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、分类号：TP237单位代码：10190研究生学号：B20150003密级：公开博士学位论文周帆2018年6月受环境约束的可重构机械臂系统鲁棒分散容错控制方法研究ResearchonRobustDecentralizedFaultTolerantControlforConstrainedReconfigurableManipulators博士研究生：周帆导师：李元春申请学位：工学博士学科：机械工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：长春工业大学长春工业大学博士学位论文原创性声明本人郑重声

2、明：所呈交的博士学位论文《受环境约束的可重构机械臂系统鲁棒分散容错控制方法研究》，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。作者签名：日期:2018年06月11日长春工业大学博士学位论文版权使用授权书本学位论文作者及指导教师完全了解“长春工业大学研究生学位论文版权使用规定”，同意长春工业大学保留并向国家有关

3、部门或机构送交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。保密的论文在解密后遵守此规定。作者签名：日期:2018年06月11日摘要摘要人类对机器人的憧憬和探索历经3000多年从未改变，然而自世界上第一台工业用机器人的投产至今历时短短60余年。这60年的迅猛发展，使得机器人从无到有再到随处可见，已经成为当今生活的真实写照，并为国民经济以及人们的生活带来了前所未有的提高。长期以来，

4、无数科研工作者们一直渴望实现机器人与人类的紧密接触，希望机器人可以在日常生活中帮助我们，与我们一起工作。传统的机械臂大多在固定构形下完成位置控制，并且关节工作在一个单一的主动模式。这样的机械臂已经在诸如工厂的生产线等受控环境下成功运行。在受控环境之外，他们只有在由操作人员操作时才执行复杂的操作任务。到了现在，机器人已经超越了结构化的工厂环境，进入了复杂环境工作，实现人机协作。传统的具有位置控制的工业机械臂不适合在人类环境中进行复杂的操作，故需要与环境接触的机器人面临着全新机遇的同时也迎来了新的挑战。机器人学在

5、这短短几十年里突飞猛进的发展主要是依赖于其他学科的迅速发展，这些学科与机器人学科的发展是相辅相成的。例如仿生科学、人工智能、计算机科学等领域，机器人系统可以为其理论验证提供实验平台，而机器人的研究也离不开这些学科的支持。自模块化可重构机械臂的概念被提出以来，涌现出大量相关领域的科研人员致力于其位置控制的研究并取得了丰硕的研究成果。然而，在现实工程应用中，如开关门操作、搜索救援以及辅助手术、康复训练等情况下，机械臂工作在受环境约束的复杂、精细操作中，单一的位置控制已经不能满足实际工程应用的需要，更多的科研人员将

6、控制目标锁定在了对其位置控制的同时实现对其末端力进行准确的控制。同时，由于模块化可重构机械臂与人类密切接触且投资越来越大，其寿命和可靠性的要求也随之不断提高。目前，国内外研究机构针对受约束可重构机械臂系统容错控制问题的研究还不多见，也不够深入。此外，可重构模块机械臂在执行任务期间需要适当变换构形以适应不同的任务需求。因此，对本质上采用模块化设计思想的可重构模块机械臂来说，分散控制策略更加适合其自身的控制问题。但是如何仅采用局部信息将末端接触力映射到各个关节空间进而实现模型分解，一直是制约分散控制策略应用到受约

7、束可重构模块机械臂力/位置控制问题的瓶颈。本文成功克服上述困难，主要研究了受约束可重构机械臂系统的无故障及故障模型描述方法、力/位置分散控制方法、力/位置鲁棒分散容错控制方法、容错控制条件下系统健康检测方法以及饱和约束条件下的执行器故障容错控制方法等。实现了受约束可重构机械臂分散力/位置控制及其容错控制，并将执行器的输出能力考虑在容错控制器的I摘要使用及设计中，使其更加符合工程实际应用。全文主要内容包括：1.阐述了课题的研究背景及意义，对模块化可重构机械臂的研究现状以及容错控制技术问题进行了综述。2.利用Ne

8、wton-Euler迭代算法得到模块化可重构机械臂传统动力学模型及其故障模型并将其表征为一组通过耦合力矩相关联的子系统集合。此外，给出一种基于谐波传动模型的关节力矩估计方法并利用这种方法得到一种相比于传统模型其结构相对简单的模型表达方法。3.针对受环境约束的模块化可重构机械臂的每个子系统动力学模型，提出基于谐波传动模型的关节力矩估计方法。在不采用关节力矩传感器的情况下，仅利用电机端与关节末端的位置测