车载柔性机械臂轨迹规划及准静态变形补偿控制

【摘要】随着科技的不断进步与发展，机器人技术在工业生产中得到了广泛的应用。然而，科技的发展与社会的需求也促使工业机器人本身需要提高。从最初的简陋工业机器人到复杂的智能工业机器人，再到如今的轻型化、快速化以及高精度化的全自动智能工业机器人，工业机器人在不断的更新换代。就车载机械臂而言，其研究方向已经从车载刚性机械臂转向车载柔性机械臂。车载柔性机械臂与车载刚性机械臂相比，具有负载质量大、操作范围广、响应速度快、工作寿命长等优点，因此，车载柔性机械臂的研究与发展是车载机械臂领域的一个趋势。然而，车载柔性机械臂得到发展的同时，也遇到了诸多问题，如：车载柔性机械臂的期望目标点与实际目标点之间是否有偏差，柔性杆的变形等。车载柔性机械臂要想在实际工程中得到应用，上述问题必须得以解决，特别是转载大负载时柔性杆产生的弹性变形必须加以补偿。如果不加以补偿，将会影响到柔性杆末端位置的精度。所以，设计一种可靠的车载柔性机械臂的轨迹规划、轨迹补偿方法，变形补偿算法及控制方法，具有重要的理论意义与广阔的应用前景。本文针对车载柔性机械臂工作时期望目标点与实际目标点之间是否有偏差的情况及大负载引起的弹性变形问题，分别对该系统的轨迹规划、轨迹补偿及弹性变形补偿等问题做了相关研究。本文的主要研究内容与工作如下：首先，对车载柔性机械臂的系统模型进行了简单的描述，并给出了系统的结构简图。根据系统结构简图，应用D-H参数法建立了该系统的正运动学模型，然后由传统的反变换法得到了系统的逆运动学模型。运动学模型建立之后，根据拉格朗日法与假设模态法，对系统进行了动力学建模。其次，针对车载柔性机械臂期望目标位置与实际目标位置之间是否有偏差的情况，分别对系统进行了轨迹规划与轨迹补偿研究。首先，考虑系统期望目标点与实际目标点之间无偏差，将系统的整个转载周期分为七个子过程，每个子过程分解为水平转载与垂直提升或下放两个过程，然后根据笛卡尔空间与关节空间相结合的方法，对七个子过程中的水平转载过程用五次多项式插值法进行轨迹规划，垂直过程采用九段六次多项式插值法进行轨迹规划。其次，考虑系统期望目标点与实际目标点之间有偏差，结合正运动学公式与变分法，可以求出目标点位置误差引起的关节角补偿变量，然后求出补偿后的关节角变量，并在此基础上得到补偿后的关节角轨迹和末端位置轨迹。再次，大负载会使柔性杆产生弹性变形，该弹性变形会影响到末端位置的精度，因此，要想使柔性臂将负载准确地转载到期望目标点，弹性变形必须加以补偿。鉴于此，本文提出了一种有效的弹性变形补偿方法—基于期望关节角的准静态变形补偿。首先，根据假设模态法求出柔性杆的弹性变形，并根据此变形计算出需要补偿的期望关节角变量。其次，针对期望目标点与实际目标点之间是否有偏差的情况，分别对弹性变形进行了补偿。再次，针对系统中振动模态及其导数的不可测性，设计了观测器对其进行估计。最后，基于观测器设计了滑模控制器以实现对系统期望轨迹的跟踪。最后，对本文的研究内容进行了仿真验证，并做了几组对比：轨迹补偿前后对比、变形补偿前后轨迹跟踪效果对比、负载质量不同时轨迹跟踪效果对比。结果表明了本文所提出的轨迹规划、轨迹补偿及变形补偿方法是有效的。文章最后对全文做了工作总结，并且对下一步的研究内容做出了展望。
【作者】刘杰；
【导师】李元春；
【作者基本信息】吉林大学，模式识别与智能系统，2014，硕士
【关键词】车载柔性机械臂；轨迹规划；轨迹补偿；准静态变形补偿；观测器；滑模控制；

【参考文献】
[1]蒋璠.数据仓库应用中存在的问题及其对策[J].中国金融电脑,2004,11:53-54.
[2]常成.干式DCT双离合器设计与起步过程仿真分析[D].中北大学,车辆工程,2013,硕士.
[3]陈波涛,赵华国,孙晓洁.改善热轧工作辊工作状况的几种方法[J].一重技术.2007(04)
[4]张宏,佘晓宇,马永强.鄂西渝东石柱复向斜上三叠统须家河组储层预测[J].石油地球物理勘探,2009,S1:115-120+168+3+2.
[5]张秋美.铁酸盐负极材料的制备及储锂性能研究[D].大连理工大学,2012.
[6]张昱.化学工程与工艺专业实验的整合研究[D].西北民族大学,课程与教学论,2012,硕士.
[7]刘爽.“三言”发迹变泰类作品研究[D].渤海大学,中国古代文学,2014,硕士.
[8]陈翊.论世贸组织（实体）法的基本原则[D].湘潭大学,经济法,2003,硕士.
[9]刘芝.1972年以来澳大利亚华人女性移民研究[D].江苏师范大学,专门史,2013,硕士.
[10]范炳乾.重庆市大学城部分高校大学生余暇体育现状及发展对策[D].重庆大学,体育（专业学位）,2014,硕士.
[11]彭周华,王丹,王昊,王巍.单向通信拓扑领航者动态未知线性多智能体系统的协同迭代学习控制（英文）[J].自动化学报,2014,11:2595-2601.
[12]徐梦洁.电视节目模版的知识产权法保护[D].重庆大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[13]韩颖.中国股指期货波动性及其对比分析[D].云南财经大学,统计学,2014,硕士.
[14]毕拥国.毛白杨韧皮部次生代谢物质提取分离及对光肩星天牛抗性的研究[D].河北农业大学,森林保护,2004,硕士.
[15]肖冬平,王小菲.企业文化测量研究述评[J].红河学院学报,2014,05:71-75.
[16]都萍.光滑及带扰流片的叶片内部矩形直通道冷却的数值模拟[D].大连理工大学,热能工程,2004,硕士.
[17]周亮亮.网络服务提供者侵权责任研究[D].河北经贸大学,民商法学,2012,硕士.
[18]全喜龙.番禺新造职校网络教学平台的研究与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[19]何泳.吉林长岭气田小井眼水平井钻井提速技术研究[D].东北石油大学,石油与天然气工程（专业学位）,2013,硕士.
[20]郭丽娜.聚碳酸酯汽车玻璃注塑压缩成型数值模拟与实验研究[D].哈尔滨工业大学,机械电子工程,2013,硕士.
[21]高楚桥,吴菊仙,张超谟,张占松.求六臂地层倾角测井微电阻率曲线间的最优高程差[J].石油地球物理勘探,1995,06:797-802+848.
[22]王豫.数据仓库技术在电信经营决策中的应用[J].中州大学学报,2004,01:117-120.
[23]马明途.注射用广炎灵冻干工艺的研究[D].黑龙江中医药大学,药剂学,2004,硕士.
[24]胡啸.变压器绝缘油中气体检测技术研究[D].沈阳理工大学,检测技术与自动化装置,2012,硕士.
[25]任帅.三甲基镓的合成与纯化[D].北京化工大学,化学工程与技术,2013,硕士.
[26]谷士文.中间变量松弛技术及其应用[J].自动化学报,1987,05:346-351.
[27]赵之枫,张建.城乡统筹视野下农村宅基地与住房制度的思考[J].城市规划,2011,03:72-76.
[28]何佳.基于厌氧消化1号模型的升流式厌氧污泥床及酚类物质降解的模拟[D].中国科学技术大学,环境工程,2014,硕士.
[29]张茂淳.锦屏一级水电站G1006电塔塔基滑坡发育特征及治理工程措施研究[D].西南交通大学,地质工程,2014,硕士.
[30]BarryL.Holtzman,胡守愚.电容器设计的研究[J].电力电容器.1980(01)
[31]吕露.思维导图在农村高中生物教学中的应用研究[D].华中师范大学,学科教学,2013,硕士.
[32]黎康.我国高校网球方向硕士学位论文现状及发展对策研究[D].湖南师范大学,体育教育训练学,2013,硕士.
[33]姜莉.《成功之路》（进步篇·听和说Ⅰ）课文语料难度的定量分析[D].上海外国语大学,汉语国际教育,2014,硕士.
[34]景东东.新旧准则下计量属性对会计信息质量影响的实证分析[D].贵州财经大学,会计学,2013,硕士.
[35]林赫冰.吉林省某警察院校大学生体重指数与正常高值血压的相关性研究[D].吉林大学,公共卫生,2014,硕士.
[36]费丹.宽带无线信道仿真技术研究及仿真仪设计[D].北京交通大学,2014.
[37]涂美娟.OCT1及CYP3A4介导的吡咯里西啶生物碱肝脏转运及毒性研究[D].浙江大学,药物分析学,2014,博士.
[38]杨磊.民族地区政治发展研究[D].内蒙古大学,政治学理论,2014,硕士.
[39]廖涌泉,易婷,汪晓霞.铁路信息共享需求分析[J].北京交通大学学报(社会科学版),2004,01:37-41.
[40]李洪超.丙烯精制系统的模拟与扩能改造[D].天津大学,化学工程,2004,硕士.
[41]刘冠晓.中国市场金融衍生品套利研究[D].上海交通大学,工商管理,2013,硕士.
[42]鲁东红.肿瘤坏死因子基因多态性与子宫内膜异位症的相关性分析[D].浙江大学,2005.
[43]丁道齐.现代化电网运行管理中的安全与培训[J].电力系统自动化.1992(01)
[44]李俊,金元昊,薛智敏,黄翯,傅国胜,周斌全.老年冠心病患者非靶病变进展的危险因素[J].中国老年学杂志,2014,08:2052-2055.
[45]陈红.红波罗花的化学成分研究[D].吉林农业大学,中药学,2012,硕士.
[46]李越川.中国铁路运输企业产权制度的变迁[D].北京交通大学,2008.
[47]马世宏.都督制在魏晋南北朝的演变与发展[D].西北师范大学,中国古代史,2013,硕士.
[48]徐杰.我国创业板市场退市制度研究[D].中国政法大学,民商法学,2013,硕士.
[49]段斌.基于PKI的可信计算体系研究及其应用[D].湘潭大学,2004.
[50]丁凯.车牌号识别系统的设计与实现[D].大连理工大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.