基于非完整约束的欠驱动机械手及其运动控制的研究

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1、武汉理工大学博士学位论文摘要随着机器人技术的发展和广泛的应用，对机器人的精细作业和在各种环境下的灵活控制的要求越来越高，使得机器人机械本体的复杂性与运动控制的有效性显得越来越突出。在机器人控制技术迅速发展的今天，人们更加清楚地认识到：机器人的机械本体必须与控制系统紧密地结合为一个整体才能充分发挥出应有的性能和功能。因此，积极主动地探索机器入机构学与控制理论的融合具有重要的意义。本学位论文在中国科学院机器人学重点实验室的支持下，为探索和研究非完整系统理论与非线性控制原理的融合方式，以建立非完整欠驱动机械手及其运动控制方法为目标，进行了大量的调研和研究

2、工作，并在已有非完整控制系统研究成果和全面分析国内外非完整机器人系统研究现状的基础上，对非完整机械手及其关键技术进行了深入地研究和开发。非完整系统具有许多的特点，在对非完整系统进行全面深入分析研究的基础上，结合非完整链式系统的转换关系，分析证明了可变换为链式系统的机械系统是可控非完整系统。由此，基于圆盘在平面上滚动的非完整性，提出了一种可控的新型非完整运动传递机构——摩擦圆盘运动分解合成机构，该运动传递机构通过转盘与圆盘相对位形的改变，可有效实现运动传动比的连续控制，其传动比的变化遵循三角函数的关系。利用建立的可控非完整运动传递机构与非完整运动规划

3、原理的结合，提出了二种新型可控的非完整欠驱动机械手——开链式非完整机械手和并链式非完整机械手，并给出了这二种机械手的理论设计，分析研究了它们的非完整性、运动特性，证明了在输入控制数小于其位形空间维数的情况下的运动可控性，并给出了将其转换为链式系统的条件和方法。基于链式系统的时间多项式输入控制和三角函数输入控制的方法，给出了非完整机械手的运动规划算法，并分析研究了基于这二种输入控制作用下的运动特性，揭示了开链式非完整机械手和并联式非完整机械手的控制特点和运动的不同性质。武汉理工大学博士学位论文设计制作了开链式非完整机械手的实验装置，采用UMAO运动控

4、制系统进行了实验研究，校验了非完整运动传递机构的运动传递可行性和有效性以及开链式非完整机械手的运动可行性和控制的有效性，实现了开链式非完整机械手的位形控制。本学位论文的研究工作，为开发航空航天机器入、特殊环境下作业的机器人和医疗机器人等提供了可以借鉴的理论和实践经验。有助于推动机器人技术的迅速发展。关键词：非完整系统，机器人，运动规划，非线性控制，欠驱动系统，非完整机构一II—武汉理工大学博士学位论文ABSTRACTAsthedevelopmentandapplicationofrobotictechnologyisadvancing，thereq

5、uirementsforfineworkingandflexiblecontrollingbecomemoredemandingunderdifferentenvironments．Thismakesthemechanicpartofrobotmorecomplicatedandthemotioncontrolmoredifficultofrobot．Innowadays，therobottechnologyisbeeningdevelopedveryquickly，peoplehaveclearlyrealizedthat，ifwewantthe

6、robottobringitscapabilityandfunctionintoplaycompletely,itsmechanicalpartandcontrolsystemsmustbecombinedclosely．Therefore，itissignificanttodoresearchonthecombinationofroboticmechanicsandmboticcybemetics．Inthisdissertation，supportedbytheRoboticsLaboratory,ChineseAcademyofScience

7、s，researchworkandinvestigationresultsarepresentedonthecombinationofnonholonomicsystemandnonlinearcontrolinordertoestablishthenonholonomicunderactuatedmanipulatoranditsmotioncontr01．Onthebasisofthepresentresearchaccomplishmentonnonholonornicsystemsandtheanalysisofthepresentstat

8、eofnonholonomicrobotresearch，thathasdoneadvancedresearchonthe