基于3-SPS仿生关节机构的运动控制与应用
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摘要
本文主要研究了基于3-SPS仿生关节机构的运动学、控制系统、应用方面的问题。运动学方面，本文对仿生关节的位置反解进行了深入研究，得出仿生关节的运动学位置反解方程，并进行仿真实验。为了得到上平台位置的精确参数，本文重点对仿生关节进行硬件控制系统设计，综合考虑了几种常见的驱动方式后，提出了液压伺服驱动控制策略，并确立了机构的系统参数，建立了单缸数学模型，提出了基于CAN总线的分布式控制的原理。针对液压伺服系统提出了模糊自适应控制策略，设计了模糊控制查询表；设计了系统的模糊自适应控制器并进行仿真实验。仿真结果表明，模糊自适应控制下的液压伺服系统，能明显减少外干扰对系统的影响。以仿生蟹为应用研究对象，分析了仿生蟹的研究现状和蟹关节的结构特点、行走规律等；提出了把仿生关节机构应用于仿生蟹的髋关节的方案，并建立仿生蟹单腿结构模型，设计仿生蟹结构参数，对控制器的主要性能作仿真，并得出仿真曲线。为进一步研究仿生蟹类的八足机器人提供了一定的理论基础。
This paper mainly studies 3-SPS biomimetical joint mechanism's kinematics, control system, application problems, etc. The backward displacement solution of 3-SPS biomimetical joint mechanism is proposed by analyzing the kinematics of the biomimetical joint mechanism, and carried on correlative simulation experiment. We have emphatically designed the hardware control system to the 3-SPS biomimetical joint mechanism, after synthesizing several common drive types, proposed the hydraulic-servo control strategy, established the system's parameter and single-urn mathematical model to propose a new Distributed Control System Based on CAN Bus. In view of the biomimetical joint mechanism's trait, a fuzzy adaptive control strategy is proposed here, set up the rogatory tabulation of fuzzy control. After that, we designed the fuzzy adaptive controller for the single-urn's hydraulic-servo system and did correlative emulational experiment. Then thesis regards the crab-like robot as the research object, discusses the development of the crab-like robot and the advantages of the crab-like robot walking and intelligent controlling. Then used 3-SPS biomimetical joint mechanism as the crab-like robot's joint, the thesis establishes the biological modeling crab single leg structural model. With the algorithm of the fuzzy controller and the parameters of the crab-like robot confirmed, the simulation diagrams are plotted. This model may provide some help in the field of the eight-legged machine such as crab-like robot.
This paper mainly studies 3-SPS biomimetical joint mechanism's kinematics, control system, application problems, etc. The backward displacement solution of 3-SPS biomimetical joint mechanism is proposed by analyzing the kinematics of the biomimetical joint mechanism, and carried on correlative simulation experiment. We have emphatically designed the hardware control system to the 3-SPS biomimetical joint mechanism, after synthesizing several common drive types, proposed the hydraulic-servo control strategy, established the system's parameter and single-urn mathematical model to propose a new Distributed Control System Based on CAN Bus. In view of the biomimetical joint mechanism's trait, a fuzzy adaptive control strategy is proposed here, set up the rogatory tabulation of fuzzy control. After that, we designed the fuzzy adaptive controller for the single-urn's hydraulic-servo system and did correlative emulational experiment. Then thesis regards the crab-like robot as the research object, discusses the development of the crab-like robot and the advantages of the crab-like robot walking and intelligent controlling. Then used 3-SPS biomimetical joint mechanism as the crab-like robot's joint, the thesis establishes the biological modeling crab single leg structural model. With the algorithm of the fuzzy controller and the parameters of the crab-like robot confirmed, the simulation diagrams are plotted. This model may provide some help in the field of the eight-legged machine such as crab-like robot.
引文
1．颜国正．仿生机器人的研究状况及其未来发展．机器人．2001，23(5)：476-479；
2．张秀丽，郑浩俊，等．机器人仿生学研究综述．机器人．2002，24(2)：188-192；
3．宗光华，毕树生．关于21世纪初我国仿生技术和仿生制造的若干思考．中国机械工程．2001，12(10)：1201-1204；
4．林良民．仿生机械学．上海：上海交通大学出版社，1989
5．刘锋，陈文凯．自由度并联机器人的研究现状和应用前景．企业技术开发．2006(1)：9—10
6．赵铁石，于海波，戴建生．一种基于3-RSS／S并联机构的踝关节康复机器人．燕山大学学报．2005(29)：471-472
7．范伟，彭光正，高建英，宁汝新．气动人工肌肉驱动三自由度球面并联机器人关节的位置控制研究．液压气动与密封．2003(6)：1-5
8．张龙，张友良．构造仿生关节的3自由度并联机构运动特性．机械设计与制造．2005(3)：101—102
9．黄真，孔令富等．并联机器人机构学理论及控制．机械工业出版社，1997
10．宋轶群，杜华生，王德新，程刚．一种全自主移动机器人控制系统研究．机械与电子．2004(8)：48-50
11．王磊，王为民．模糊控制理论及应用．国防工业出版社，1997
12. Khatib O. Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots. The Int. J. Robot. Res. 1986: 90—98
13. Lozano-Perea T. Automatic planning of manipulator transfer movement. IEEE Transaction on Systems Man and Cybernetics. 1981: 681-698
14. Lozano-Perea T. Spatial planning: A configuration space approach. IEEE Transaction on Computers. 1983: 108-120
15．杨东超等．机器人一般自由度计算公式的统一认识．机械设计．2002(8)：24-27
16．文福安等．并联机器人机构概述．机械科学与设计．2000，19(1)：69-72
17．邓建中，刘之行．计算方法．第二版．西安交通大学出版社，2001，162-167，182-185
18．蔡自兴．机器人学．北京：清华大学出版社，2000
19．钱瑞明．六自由度3-RRRS并联机器人机构位姿正逆解．东南大学学报(自然科学版)．2000．3(5)：56-60
20．李丽．仿生关节机构设计与理论研究．[硕士学位论文]．南京理工大学．2005
21．Saeed B．Nike．机器人学导论．电子工业出版社．2004
22．韩俊峰，李玉惠．模糊控制技术．重庆大学出版社．2003
23．刘海丰．并联机器人运动学分析及控制系统仿真．[硕士学位论文]．上海交通大学．2000
24．张泽友．并联六自由度机器人及控制．[硕士学位论文]．西安交通大学．2004
25．章卫国，杨向忠．模糊控制理论与应用．西北工业大学出版社．2000
26．张吉礼．模糊-神经网络控制原理与工程应用．哈尔滨工业大学出版社．2004
27．张乃尧，阎平凡．神经网络与模糊控制．清华大学出版社．1998
28．杨灏泉，赵克定，吴盛林．液压六自由度并联机器人控制策略的研究．机器人．2004．26．(3)：263-267
29．魏立新．6-DOF并联机器人动力学建模及其控制策略研究．燕山大学硕士论文．2002
30．刘方湖，陈建平等．行星探测机器人的研究现状和发展趋势．机器人．2002(3)：268—275
31．陈应珍．国外海洋机器人技术发展动态．海洋高新技术．2002(4)：21-21
32. Elsey, Dr., Gary Bane, et al. Autonomous Legged Underwater Vehicles for Near Land Warfare, Procdddings of the Autonomous Vehicles in Mine Countermeasures Symposium, Naval Postgraduate School, 1995
33．宋红霞．仿生ALUV步行机构与控制策略的研究．[硕士学位论文]．南京理工大学．2004
34．多田智彦，侯建军．先进的水下机器人．外国海军文集．2003(3)：38-39
35．殷际英，何广平．关节型机器人．北京：化学工业出版社．2003．36．
36．张泽友，王孙安．并联机器人轨迹跟踪改进模糊控制研究．机床与液压．2004(18)：97-98
37．杨灏泉，赵克定，吴盛林．液压六自由度并联机器人控制策略的研究．机器人．2004．5(26)：268-268
38．焦晓红，方一鸣．液压伺服驱动的并联机器人离散滑模变结构控制．自动化与仪器仪表．2001．1：25-27
39．张泽友，王孙安．并联机器人轨迹跟踪改进模糊控制研究．机床与液压．2004(18)：97-98
40．王沫楠，孟庆鑫．基于DSP的仿生机器蟹多关节控制系统的实现．自动化与仪器仪表．2003(9)：28-31
41．胡新华，杨继隆，姜伟．静压支撑球铰副的支撑特性研究．液压与气动．2002(11)：33-34
42．杨灏泉，赵克定，吴盛林．液压六自由度并联机器人．控制策略的研究．2004．26(3)： 263-271
43．赵建东，邵黎君等．基于CAN总线的仿人机器人关节伺服控制系统研究．机器人．2004．24(5)：422-426
44．杨晓华，侯巍等．基于CAN，总线的分布式控制网络设计．低压电器．2006．1：40—42
45．万亚民，王孙安，杜海峰．液压并联机器人的动态神经网络控制研究．西安交通大学学报 2004．38(9)：955-958
46. zhang CD, Song SM. Forward. Position Analysis of Nearly General Stewart Plarforms. ASME Conf. on Rob., Spatial Mechanisms and Mechanical. Systems, 1992. De_Vol. 45:81-84
47. G.R. DUNLOP, T.P. JONES Mech. Position Analysis of a 3-DOF Parallel Manipulator Theory. Vol. 32. NO. 8 903-920
48. Chanhee Han, Jinwook Kim, Jongwon, Kim. Kinematic sensitivity analysis of the 3-UPU parallel mechanism. Mechanism and Machine Theory. 2002(37):787-798
49. Kinematics of the 3-UPU wrist Raffaele Di Gregorio, Mechanism and Machine Theory 2003(38) 253-263
50．马香峰．机器人机构学．北京：机械工业出版社，1991
51．陈丽．Stewart平台6—DOF并联机器人完整动力学模型的建立．燕山大学学报．2004，28(3)：228-232
52．澹凡忠，孙利民，姜军生．并联6—SPS机器人动力学分析．郑州工业大学学报．2000，21(2)：42-44
53．焦晓红，耿秋实，方一鸣，李运锋．液压伺服并联机器人的自适应鲁棒跟踪控制．系统仿真学报．2003．3(15)：401-403
54．赵迎祥，鲁开讲．6—SPS并联机器人的奇异位形分析．机械设计．2003，20(9)：53-55
55．王沫楠，孟庆鑫．基于DSP的仿生机器蟹多关节控制系统的实现．自动化与仪器仪表．2003(9)：28-31
56. Yang D C H, Lee T W. Feasibility study of a platform type of robot manipulators from a kinematic viewpoint. ASME. 35-85
57．吴生富，王洪波，黄真．并联机器人工作空间的研究．机器人．1991，13(3)：33-40
58．李瑞琴，刘惠林．关于6-SPS并联机器人机构工作空间的研究．北京理工大学学报．1992，12(4)：100-108
59．邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社．1996：30-49．
2．张秀丽，郑浩俊，等．机器人仿生学研究综述．机器人．2002，24(2)：188-192；
3．宗光华，毕树生．关于21世纪初我国仿生技术和仿生制造的若干思考．中国机械工程．2001，12(10)：1201-1204；
4．林良民．仿生机械学．上海：上海交通大学出版社，1989
5．刘锋，陈文凯．自由度并联机器人的研究现状和应用前景．企业技术开发．2006(1)：9—10
6．赵铁石，于海波，戴建生．一种基于3-RSS／S并联机构的踝关节康复机器人．燕山大学学报．2005(29)：471-472
7．范伟，彭光正，高建英，宁汝新．气动人工肌肉驱动三自由度球面并联机器人关节的位置控制研究．液压气动与密封．2003(6)：1-5
8．张龙，张友良．构造仿生关节的3自由度并联机构运动特性．机械设计与制造．2005(3)：101—102
9．黄真，孔令富等．并联机器人机构学理论及控制．机械工业出版社，1997
10．宋轶群，杜华生，王德新，程刚．一种全自主移动机器人控制系统研究．机械与电子．2004(8)：48-50
11．王磊，王为民．模糊控制理论及应用．国防工业出版社，1997
12. Khatib O. Real-time obstacle avoidance for manipulators and mobile robots. The Int. J. Robot. Res. 1986: 90—98
13. Lozano-Perea T. Automatic planning of manipulator transfer movement. IEEE Transaction on Systems Man and Cybernetics. 1981: 681-698
14. Lozano-Perea T. Spatial planning: A configuration space approach. IEEE Transaction on Computers. 1983: 108-120
15．杨东超等．机器人一般自由度计算公式的统一认识．机械设计．2002(8)：24-27
16．文福安等．并联机器人机构概述．机械科学与设计．2000，19(1)：69-72
17．邓建中，刘之行．计算方法．第二版．西安交通大学出版社，2001，162-167，182-185
18．蔡自兴．机器人学．北京：清华大学出版社，2000
19．钱瑞明．六自由度3-RRRS并联机器人机构位姿正逆解．东南大学学报(自然科学版)．2000．3(5)：56-60
20．李丽．仿生关节机构设计与理论研究．[硕士学位论文]．南京理工大学．2005
21．Saeed B．Nike．机器人学导论．电子工业出版社．2004
22．韩俊峰，李玉惠．模糊控制技术．重庆大学出版社．2003
23．刘海丰．并联机器人运动学分析及控制系统仿真．[硕士学位论文]．上海交通大学．2000
24．张泽友．并联六自由度机器人及控制．[硕士学位论文]．西安交通大学．2004
25．章卫国，杨向忠．模糊控制理论与应用．西北工业大学出版社．2000
26．张吉礼．模糊-神经网络控制原理与工程应用．哈尔滨工业大学出版社．2004
27．张乃尧，阎平凡．神经网络与模糊控制．清华大学出版社．1998
28．杨灏泉，赵克定，吴盛林．液压六自由度并联机器人控制策略的研究．机器人．2004．26．(3)：263-267
29．魏立新．6-DOF并联机器人动力学建模及其控制策略研究．燕山大学硕士论文．2002
30．刘方湖，陈建平等．行星探测机器人的研究现状和发展趋势．机器人．2002(3)：268—275
31．陈应珍．国外海洋机器人技术发展动态．海洋高新技术．2002(4)：21-21
32. Elsey, Dr., Gary Bane, et al. Autonomous Legged Underwater Vehicles for Near Land Warfare, Procdddings of the Autonomous Vehicles in Mine Countermeasures Symposium, Naval Postgraduate School, 1995
33．宋红霞．仿生ALUV步行机构与控制策略的研究．[硕士学位论文]．南京理工大学．2004
34．多田智彦，侯建军．先进的水下机器人．外国海军文集．2003(3)：38-39
35．殷际英，何广平．关节型机器人．北京：化学工业出版社．2003．36．
36．张泽友，王孙安．并联机器人轨迹跟踪改进模糊控制研究．机床与液压．2004(18)：97-98
37．杨灏泉，赵克定，吴盛林．液压六自由度并联机器人控制策略的研究．机器人．2004．5(26)：268-268
38．焦晓红，方一鸣．液压伺服驱动的并联机器人离散滑模变结构控制．自动化与仪器仪表．2001．1：25-27
39．张泽友，王孙安．并联机器人轨迹跟踪改进模糊控制研究．机床与液压．2004(18)：97-98
40．王沫楠，孟庆鑫．基于DSP的仿生机器蟹多关节控制系统的实现．自动化与仪器仪表．2003(9)：28-31
41．胡新华，杨继隆，姜伟．静压支撑球铰副的支撑特性研究．液压与气动．2002(11)：33-34
42．杨灏泉，赵克定，吴盛林．液压六自由度并联机器人．控制策略的研究．2004．26(3)： 263-271
43．赵建东，邵黎君等．基于CAN总线的仿人机器人关节伺服控制系统研究．机器人．2004．24(5)：422-426
44．杨晓华，侯巍等．基于CAN，总线的分布式控制网络设计．低压电器．2006．1：40—42
45．万亚民，王孙安，杜海峰．液压并联机器人的动态神经网络控制研究．西安交通大学学报 2004．38(9)：955-958
46. zhang CD, Song SM. Forward. Position Analysis of Nearly General Stewart Plarforms. ASME Conf. on Rob., Spatial Mechanisms and Mechanical. Systems, 1992. De_Vol. 45:81-84
47. G.R. DUNLOP, T.P. JONES Mech. Position Analysis of a 3-DOF Parallel Manipulator Theory. Vol. 32. NO. 8 903-920
48. Chanhee Han, Jinwook Kim, Jongwon, Kim. Kinematic sensitivity analysis of the 3-UPU parallel mechanism. Mechanism and Machine Theory. 2002(37):787-798
49. Kinematics of the 3-UPU wrist Raffaele Di Gregorio, Mechanism and Machine Theory 2003(38) 253-263
50．马香峰．机器人机构学．北京：机械工业出版社，1991
51．陈丽．Stewart平台6—DOF并联机器人完整动力学模型的建立．燕山大学学报．2004，28(3)：228-232
52．澹凡忠，孙利民，姜军生．并联6—SPS机器人动力学分析．郑州工业大学学报．2000，21(2)：42-44
53．焦晓红，耿秋实，方一鸣，李运锋．液压伺服并联机器人的自适应鲁棒跟踪控制．系统仿真学报．2003．3(15)：401-403
54．赵迎祥，鲁开讲．6—SPS并联机器人的奇异位形分析．机械设计．2003，20(9)：53-55
55．王沫楠，孟庆鑫．基于DSP的仿生机器蟹多关节控制系统的实现．自动化与仪器仪表．2003(9)：28-31
56. Yang D C H, Lee T W. Feasibility study of a platform type of robot manipulators from a kinematic viewpoint. ASME. 35-85
57．吴生富，王洪波，黄真．并联机器人工作空间的研究．机器人．1991，13(3)：33-40
58．李瑞琴，刘惠林．关于6-SPS并联机器人机构工作空间的研究．北京理工大学学报．1992，12(4)：100-108
59．邬宽明．CAN总线原理和应用系统设计．北京：北京航空航天大学出版社．1996：30-49．