平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制.pdf

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1、第51卷第13期机械工程学报Vb1．51NO．132015年7月JOURNALOFMECHANICALENGINEERINGJu1．2O15DoI：1O．3901／JME．2015．13．203平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制木余跃庆梁浩张卓(北京工业大学机械工程与应用电子技术学院北京100124)摘要：基于模糊控制理论，研究水平运动的4自由度欠驱动机器人位置和姿态控制问题。平面4自由度欠驱动机器人是具有冗余度和欠驱动双重特征的复杂二阶非完整系统，利用主动关节和被动关节加速度之间的耦合作用控制被动关节的运动，同时实现机械臂末端的轨迹跟踪和末杆的姿态控制。根据分层控制思想

2、，提出双模态模糊PID复合控制算法，针对两个子任务分别设计控制器。通过Matl曲和ADAMS的联合仿真验证算法的有效性，在基于可编程多轴运动控制卡的试验台上实现平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制试验。仿真和试验结果表明，所设计的模糊PID复合控制器对平面4自由度欠驱动机器人末杆的位置和姿态控制是可行、有效的。关键字：欠驱动机器人；4自由度：位置和姿态控制；模糊控制中图分类号：TP24PositionandOrientatiOnControlofa4．DOFPlanarUnderactuatedR0botYUYueqingLIANGHaoZHANGZhuo(Collegeo

3、fMechanicalEngineeringandAppliedElectronicsTechnology,BeijingUniversityofTechnology，Beijing100124)Abstract：Basedonthefuzzycontroltheory,thepositionandorientationcontrolofa4-DOFplanarunderactuatedrobotisinvestigated．The4-DOFplanarunderactuatedrobotisacomplexsecondordernon—holonomiesystemwithr

4、edundancyandunderactuation．Usingthecouplingefectbetweentheaccelerationofpassivejointandthatofactivejoints，themotionofthepassivejointiscontrolled．Thetrajectorytrackingofendpointandtheorientationcontrolofendlinkofrobotareachievedsimultaneously．AdOublefuzzy．PIDcompoundcontrolleriSdesignedforthe

5、twosubtasksbasedonthehierarchicalcontrolidea．ThecontrolleriSverifiedbytheCO—simulationinMatlabandADAMS．Theexperimentofthepositionandorientationcontrolofthe4-DOFplanarunderactuatedrobotisrealizedontheexperimentaltestbedbasedonPMACcontroller．Theresultsofsimulationandexperimentindicatethatthefu

6、zzy—PIDcompoundcontrollerisfeasibleandefectiveforthepositionandorientationcontrolof4Rhorizontalunderactuatedrobot．Keywords：underactuatedrobot：4-DOF：positionandorientationcontrol：fuzzycontrol关节的研究对实现仿生机器人优美、自然的运动是0前言不可或缺的。当欠驱动机器人的关节数目大于机器人操作空间所需自由度，系统为被动冗余机器人，欠驱动机器人是指独立控制输入数目少于系拥有非完整冗余特性pj，有利

7、于完成机器人避障等统自由度的机械系统。由于减少了驱动装置，即存任务。当某个驱动电动机出现故障时，可以把失控在被动关节或者自由关节，使得机械臂具有轻质、关节作为欠驱动关节来处理达到容错。因此，欠驱低耗D-2I等优点，在水下、航天等微重力环境具有重动机器人具有很高的理论研究价值和应用前景，成要应用前景。受人体运动学启发，在运动过程中为了机器人研究领域的前沿课题。通常很多关节都处于近似非驱动状态，因此欠驱动但是，由于某个或某些关节缺少驱动装置，欠驱动机器人属于二阶非完整系统，其被动关节的加·国家自