专利名称：一种2r欠驱动平面柔性机械臂的位置控制方法
技术领域：
本发明涉及2R欠驱动平面柔性机械臂的控制方法。
本控制方法主要涉及欠驱动柔性机械臂的位置控制方法，特别是对同时具有自由关节和柔性杆件的这类2R欠驱动平面系统，采用简单易行的控制方法可以实现两个关节同时定位。若通过合理分段并设计相应的控制器，则可实现欠驱动平面柔性机械臂末端复杂的操作任务。
背景技术：
欠驱动平面柔性机器人是综合考虑关节自由运动和杆件结构优化两方面特点而产生的一个新兴的机器人研究领域，这类系统为现代机器人在轻质、低耗、高速和高精度等方面的发展提供了新的思路，在太空、深海及核工业环境等领域有重要的现实意义。
一.轻质、低耗和高速现代机器人发展的需要
为了满足现代机器人在高速、高精度、重载和轻量化等方面的要求，人们一般从两个途径加以解决，一方面，可以从减少驱动装置上着手，即设计具有自由关节的欠驱动系统；另一方面，可以从机器人的机构设计角度出发，尽量减少构件所用材料，采用以柔性构件为主要结构的柔性机械臂，因而，将欠驱动和柔性两种特性相结合的欠驱动柔性机器人运用而生。但是，目前的研究大都集中在欠驱动刚性机器人和全驱动柔性机器人各自领域，有关欠驱动柔性机器人这一新领域的研究还不多。如De Iuca应用路径规划算法将系统状态控制在原点附近。Imura通过坐标和输入反馈变换将系统转换为二阶链式形式，并提出了一种分段光滑镇定控制器。Huang和Wang等利用有限元方法分析了多柔性杆、多柔性关节的柔性机器人的动力学响应特性，验证了杆柔性、关节柔性和重力对动力学特性的影响。本发明研究具有柔性杆件和自由关节两方面特性的欠驱动平面柔性机器人，满足了现代机器人在轻质、低耗和高速等方面发展的需要。
二.开发简单可行欠驱动平面柔性机械臂位置控制方法的需要
欠驱动机器人系统的自由度多于驱动输入，它能以较少的控制输入得到在较多位形空间内的运动，但是采取何种有效控制方法，使系统获得类似于或优于全驱动机器人的运动，一直是这个研究领域的关键问题和难点，甚至成为研究的瓶颈。
针对这 一问题，国内外学者尝试采用非完整和非线性控制方法，取得了一些初步成果。在非完整控制的研究中，平衡点反馈镇定、运动规划与轨迹跟踪是三个研究重点，其中只有轨迹跟踪问题一般可用标准的非线性控制技术来解决，而其他两个问题，则没有既定的理论和方法可以直接采用。针对欠驱动平面系统的平衡点镇定问题，著名的Brockett定理早已证明，不存在光滑的或连续的时不变状态反馈方法，必须考虑时变的和离散的反馈控制方法。但是，这些控制方法和控制理论通常复杂、深奥，一般不易掌握，尤其对欠驱动平面机械臂这类二阶非完整系统来说，其控制设计难度更大，到目前为止，尚没有一个代表性的模型及有价值的一般性结果。因此，如何采用简单可行的控制方法获得欠驱动系统的满意运动，是一个十分迫切的问题。
另外，对欠驱动柔性机械臂来说，由于同时考虑欠驱动和柔性两个特性，除了欠驱动会增加控制设计上的难度之外，在运动过程中杆件的柔性带来的问题同样不能忽视。当机器人运动时，系统中的各零部件会产生明显的弹性变形，尤其是柔性杆件的弹性振动和杆件末端不断累积放大的弹性转角，将直接影响各关节的位置跟踪，特别对于多柔性杆件情况，产生的误差更加需要重视。此时，如果照搬欠驱动刚性系统的控制方法，不但不能完成操作任务，甚至会产生误动作，因而，开发适用于欠驱动柔性机器人的控制策略是十分重要的环节。发明内容
本发明的目的是针对同时具有欠驱动和柔性杆的2R欠驱动平面柔性机械臂，基于分段控制设计，采用简单易行的控制方法实现机械臂的位置控制。
本发明所采用的技术方案是:首先建立第二关节被动、第二杆柔性的2R欠驱动平面机械臂的实际系统动力学模型；其次，针对系统同时具有的欠驱动和柔性特性，采用时间尺度和PID控制方法，规划两个关节的运动轨迹；最后，基于上述思想，将控制过程划分五个阶段完成，实现具有自由被动关节的整个2R欠驱动平面柔性机械臂的末端操作任务。
具体技术方案如下:
(一)动力学模型的建立
本发明关于2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制方法是基于动力学模型的，因此，在设计控制策略之前，必须建立系统动力学模型。这里，第二关节是被动的，第二杆是柔性的，采用
权利要求
1.一种2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制方法，其特征在于该方法包括: (一)动力学模型的建立 在设计控制策略之前，必须建立系统动力学模型，这里，第二关节是被动的，第二杆是柔性的，采用便于实时控制的假设模态方法建立系统的动力学模型为
全文摘要
一种2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制方法。本发明包括采用假设模态方法，建立综合考虑关节被动、杆件柔性和关节摩擦力的2R欠驱动柔性机械臂的动力学模型。针对系统中同时存在的柔性和欠驱动特性，基于时间尺度和PID控制方法，设计分段控制策略，实现对主、被动关节的位置控制，进而完成整个机器人的末端操作。本发明所涉及的欠驱动柔性机械臂相对于传统的全驱动刚性系统具有重量轻、能耗低和结构紧凑的优点，通过分段控制设计，可以采用简单的方法实现此类机器人复杂的操作控制，避免了非线性理论和解决方法，达到方法简单、易于实现的目的。
文档编号B25J13/00GK103231379SQ20131009504
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者陈炜 申请人:天津理工大学