外文翻譯--通過(guò)優(yōu)化柔性橢球體對(duì)欠驅(qū)動(dòng)冗余度機(jī)械臂的自重構(gòu) 中文版.doc

1通過(guò)優(yōu)化柔性橢球體對(duì)欠驅(qū)動(dòng)冗余度機(jī)械臂的自重構(gòu)摘要：根據(jù)優(yōu)化技術(shù)，欠驅(qū)動(dòng)冗余度機(jī)械臂的多模型特征、柔性操作的測(cè)量、自重構(gòu)的控制方法已被調(diào)查研究。分析了空間關(guān)節(jié)的結(jié)構(gòu)變形和欠驅(qū)動(dòng)冗余度機(jī)械臂柔性操作之間的關(guān)系，處于鎖定模式下欠驅(qū)動(dòng)冗余度機(jī)械臂的一種新型柔性橢球體操作的測(cè)量被提出，能應(yīng)用于獲得自重構(gòu)控制的最理想結(jié)構(gòu)。因此，基于簡(jiǎn)諧振動(dòng)隨時(shí)間變化非線性控制方法認(rèn)為能完成其自重構(gòu)。被動(dòng)關(guān)節(jié)三連桿欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂等仿真例子在一些調(diào)查方面起重要作用。關(guān)鍵詞：欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂自重構(gòu)優(yōu)化非線性控制0前言欠驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械臂能應(yīng)用于許多領(lǐng)域，例如太空技術(shù)、合作機(jī)械人、變形裝置。在太空領(lǐng)域里，由于沒(méi)有失去有用功能或了解系統(tǒng)的自重構(gòu)。當(dāng)驅(qū)動(dòng)構(gòu)件出現(xiàn)一些問(wèn)題時(shí)，基于欠驅(qū)動(dòng)技術(shù)的誤差出現(xiàn)是不可避免的。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂也能被設(shè)計(jì)為合作機(jī)器人，也就是說(shuō)COBOT。COBOT的驅(qū)動(dòng)不是作驅(qū)動(dòng)裝置而是提供動(dòng)力學(xué)非函數(shù)約束。COBOT需要操作人員提供外力才能完成準(zhǔn)確的應(yīng)用，例如在生物工程學(xué)上外科手術(shù)和半導(dǎo)體制造等等。在機(jī)械領(lǐng)域機(jī)械變形有多種模態(tài)，并能從一種模態(tài)向另一種模態(tài)轉(zhuǎn)變。引用不同模態(tài)之間的改變可能導(dǎo)致連桿數(shù)目的變化或機(jī)械變形的約束限制。很顯然，欠驅(qū)動(dòng)控制、冗余度驅(qū)動(dòng)和柔性裝置是不可避免的。因此，欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)逐漸的成為研究領(lǐng)域一個(gè)具有吸引力的話題。從力學(xué)角度看，研究欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂系統(tǒng)是不可能控制的。被動(dòng)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)是必須靠與動(dòng)力裝置連接。Jain等表明動(dòng)力裝置是欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的非完整性約束是二階的。在機(jī)械實(shí)際上，與非完整性約束廣泛被研究比較也有100多年歷史，然而，關(guān)于這種系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制技術(shù)的研究只是近10的事情，研究多針對(duì)輪式移動(dòng)機(jī)器人、跳躍機(jī)器人、航空航天機(jī)器人等一階非完整性約束系統(tǒng)。關(guān)于欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的研究觀點(diǎn)，Anthoney等研究運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性，Arai等提出隨時(shí)間變化方法完成系統(tǒng)的位置控制。Lee等為欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人提供了多種非線性控制方法。欠驅(qū)動(dòng)研究的這些方法已從本質(zhì)上揭示了它是非線性的，并且是隨時(shí)間變化的、抽象的。事實(shí)上，Brockett已證實(shí)這并沒(méi)有消除阻礙和穩(wěn)定給定結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的靜電狀況反饋。很顯然，非線性系統(tǒng)的特征在組合空間多自由度是可以控制的。所以，非線性系統(tǒng)的控制研究受到更多的關(guān)注。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理相違背的，傳動(dòng)機(jī)械設(shè)計(jì)基本原理認(rèn)為，原動(dòng)件的數(shù)目要與自由度的數(shù)目相等時(shí)，機(jī)構(gòu)才具有確定的運(yùn)動(dòng)。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂首先被提出并不是由于它的價(jià)值優(yōu)點(diǎn)，但一些研究表明，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的故意設(shè)2計(jì)也是很有價(jià)值的。例如，Rivhter等獲得由柔性欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂多維受力的測(cè)量。Nakamura等設(shè)計(jì)出了輪式滾動(dòng)接觸的非完整機(jī)器人和平面四連桿二驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的控制。He等針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)冗余度機(jī)械臂提出一種自由碰撞運(yùn)動(dòng)規(guī)劃演算法。從以上討論的結(jié)果來(lái)看，我們可推斷出在研究欠驅(qū)動(dòng)時(shí)，可能遇到一些未被發(fā)現(xiàn)的新問(wèn)題，如所提到的技術(shù)和理論的形成。因此，我們改善這裝置具有很大的潛能性。這篇論文中，我們對(duì)欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的靜態(tài)特征和自重構(gòu)控制方法進(jìn)行探索與研究。1柔性橢球體模型機(jī)械硬度是機(jī)械臂的一個(gè)重要要素，它是用來(lái)抵抗受力和阻礙力的能力。對(duì)于開(kāi)式鏈接機(jī)械臂而言，鏈接部分是非常重要的部分。所以末端位姿的變形將會(huì)對(duì)連桿帶來(lái)不良影響。轉(zhuǎn)矩可以近似滿足如下方程：iiiKMi=1，2，n（1）式中iM關(guān)節(jié)i的轉(zhuǎn)矩i關(guān)節(jié)i的變形量ik關(guān)節(jié)i的硬度系數(shù)如果忽略關(guān)節(jié)i的重力和摩擦力不計(jì)，假設(shè)機(jī)械臂末端位姿力矢mRF，則轉(zhuǎn)矩方程又可以寫(xiě)成：FJMT（2）式中nRM關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)矩nmRJ雅可比矩陣眾所周知，關(guān)節(jié)有會(huì)有變形，機(jī)械臂末端位姿有如下關(guān)系式：Jx（3）式中x機(jī)械臂末端位姿矢量關(guān)節(jié)的位姿矢量將（1）式寫(xiě)成矩陣的形式，結(jié)合（2）、（3）式，經(jīng)簡(jiǎn)單的計(jì)算，X和F之間的關(guān)系如下：F)JJk(XT1（4）式中如果定義T1JJkC（6）（6）式是末端位姿的柔性矩陣。然而，在太空工作1c強(qiáng)度矩陣一致。柔性矩3陣C可以用來(lái)測(cè)量機(jī)械臂的靜態(tài)特征。矩陣C也有雅可比函數(shù)功能。因此，它在組合和構(gòu)造要素較大范圍內(nèi)是可改變的，在穩(wěn)定條件下機(jī)械臂的可變特征能用于完成一些應(yīng)該的復(fù)雜的操作。如裝配、拋光、維修等等。由（5）、（6）式可知矩陣C是對(duì)稱性矩陣。如果定義)CCdet(T（7）對(duì)矩陣C進(jìn)行微分，方程式（7）我們又可以得到m1ii（8）式中i，i=1,2,3,，m應(yīng)用了矩陣C的單一性。因此，TCC是其對(duì)稱矩陣，有如下關(guān)系：1x)CC(xTT（9）式（9）被描述為橢球體曲線方程，當(dāng)橢球體的主要曲線與矩陣C的單一值相等時(shí)，這橢球體也被認(rèn)為是一般柔性橢球體GFE。由于直觀原因，圖一中平面2連桿機(jī)械臂的的連桿長(zhǎng)2,1i,m0.1Li，GFE如圖（2）和（3）所示。圖一平面2R桿機(jī)械臂圖2平面2R桿全驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的GFE模型4圖3平面2R桿全驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的GFE模型這些圖示表明測(cè)量是需要依賴組合和機(jī)構(gòu)要素。然而全驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂并不能改變其機(jī)構(gòu)要素。因此，由于不同的構(gòu)件（圖2），而不是結(jié)構(gòu)要素（從圖2改變到圖3），GFE模型是可以改變的。當(dāng)被動(dòng)關(guān)節(jié)被引進(jìn)作為全驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂時(shí)，為了方便使用，假設(shè)這些被動(dòng)關(guān)節(jié)具有制動(dòng)裝置和位置控制，以便被動(dòng)關(guān)節(jié)能在自由模式和鎖定模式下進(jìn)行制動(dòng)。然而在運(yùn)動(dòng)學(xué)上，欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂揭示了一些冗余度連桿問(wèn)題，并沒(méi)有表明在輸入方式下的自運(yùn)動(dòng)不如工作狀態(tài)下的自運(yùn)動(dòng)。另一方面，被動(dòng)關(guān)節(jié)的制動(dòng)模式能使欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂具有重構(gòu)能力,系統(tǒng)具有敏捷性而使其能適合不同的工作。2.柔性矩陣假設(shè)在欠驅(qū)動(dòng)冗余度機(jī)械臂中s連桿為被動(dòng)關(guān)節(jié)，被動(dòng)關(guān)節(jié)裝有制動(dòng)裝置，當(dāng)被動(dòng)關(guān)節(jié)處于自由狀態(tài)時(shí)，其速度運(yùn)動(dòng)方程可以寫(xiě)成為：ppaaJJx（10）式中mRX機(jī)械臂末端位姿矢量nmRJ驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的雅可比矩陣3pnR,R分別為驅(qū)動(dòng)和被動(dòng)機(jī)械臂的廣義坐標(biāo)矢量當(dāng)機(jī)械臂中被動(dòng)關(guān)節(jié)處于鎖定狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程可變?yōu)閝Jxi（11）式中