[00829007]移动机械手稳定性分析及补偿方法研究

随着各国对国家安全、社会治安等公共安全事业的高度重视，以防暴、反恐、消防灭火、排险救援等为特征的移动机械手发展十分迅速。移动机械手的稳定性成为机械手完成上述安全工作的关键问题，由于环境的不确定性等原因造成的移动机械手稳定性问题成为研究的热点。该课题以自主研制的Hebut-Ⅱ型五自由度移动机械手为研究对象，针对移动机械手系统的非结构环境和任务多变的情况，基于“ZMP”概念和神经网络理论，对机械手运动稳定性和控制稳定性进行了深入的研究。在推导各坐标系之间的雅可比矩阵的基础上，建立了基于递推方法的雅可比矩阵在线估计模型。在分析移动载体的“零力矩点”的基础上，将其扩展为“有效稳定区”，进而研究移动机械手在非结构环境下受外界扰动时的稳定性评价方法，建立了运动稳定性评价指标，确定了运动稳定性补偿范围。在分析控制误差补偿方法的基础上，建立了基于神经网络技术的移动机械手动力学耦合补偿方法，实现了对系统移动平台和机械手臂的协调控制。该课题的创新性成果与主要工作如下：1、研究了Hebut-Ⅱ型移动机械手系统的运动学、动力学问题；分析了该系统的完整约束与非完整约束，并在此基础上建立了移动平台的运动学约束模型，利用微分法求得移动平台的离散模型，从而建立了移动机械手系统的运动学模型；2、基于机械手和移动平台的子动力学模型及移动机械手动力学模型，确立了力、质量和加速度以及力矩、惯量和角加速度之间的关系，根据机械手末端执行器和车体的运动情况完成了相应关节力矩的计算，使其能以期望的加速度和速度运动，确保良好的位置精度和运动稳定性；3、通过对影响移动机械手运动稳定性因素的分析，研究并建立了非结构环境下移动机械手的稳定方法及补偿范围。基于对移动载体的“零力矩点”的分析和计算，将其扩展为“有效稳定区”，进而研究了移动机械手在非结构环境下受外界扰动时的稳定性评价方法，建立了其评价指标，确定了稳定补偿范围。构建了模拟非结构环境，验证了所设计的稳定性评价标准和稳定补偿范围的适用性；4、在分析移动机械手的可操作性的基础上，研究并建立了移动机械手在非结构环境下受外界扰动时的稳定性补偿范围，进而提出并建立了基于移动机械手的可操作性和稳定性的协调控制方法。利用仿真方法建立了模拟的非结构环境，验证了该稳定性评价标准和稳定性补偿范围的适用性。在中国，“危险作业机器人”中应用最广泛的“危险作业移动机械手”还处于研究、跟踪和试验阶段。从目前情况看，其主要原因是：移动机械手不仅需要载体平台的稳定移动，而且要求机械手稳定的执行操作，亦即在保证协调控制时必须保证系统的稳定性，因此控制器的稳定性也是关键问题。该套方法的提出和应用，必将提高移动机械手在非结构化环境下的自主作业能力，从而解决了机械手工作稳定性差的问题，使机械手的应用范围扩大，真正能够代替人类或辅助人类完成人所不能、不适或力所不及的工作，如应用于易爆、易燃物品的装配、搬运、或挖掘、拆卸，以及消防灭火、防爆、反恐等高度危险环境等，不仅把人类从危险作业中解放出来，而且必将带来巨大的经济效益和社会效益。