第8期 2016年8月
组合机床与自动化加工技术
Modular Machine Tool& Automatic Manufacturing Technique
文章编号：10012265(2016)08-0111-04
DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.08.031
平面三自由度欠驱动机器人未端的位置控制
吴方朋，余跃庆
（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京100124）
No.8 Aug.2016
摘要：对平面3R欠驱动机器人末端的位置控制问题进行了研究，基于分层模糊控制思想，将欠驱动机器人的末端运动分解为沿*，轴上的运动，根据两个运动变量分别与各个主动关节耦合的情况，制定简单的模糊控制规则，设计对应的糊控制器，第一个主动关节与第二个主动关节的控制力矩通过对两运动变量控制后的模糊控制器的输出变量进行加权求和得到。最后利用matlab与adams联合仿真以及实验，精确地实现了平面三自由度欠驱动机器人在操作空间中末端点到点的任意位置控
制。结果表明，此方法在实现平面三自由度欠驱动机器人位置控制方面具有良好的效果。关键词：欠驱动；位置控制；动力学耦合；模糊控制器；联合仿真
中图分类号：TH166TC659
文献标识码：A
Position Control of theEndpoint of Three-DOFPlanar Underactuated Robots
WU Fang-peng, YU Yue-qing
(College of Mechanical Engineering & Applied Electronics Technology ,Beijing University of Technology ,Bei jing100124,China）
Abstract: Position control of the endpoint of 3R underactuated robots is investigated in this paper. The mo-tion of the endpoint is decomposed into the movement along x and y based on the idea of hierarchical fuzzy control. According to the practice and experience, make the control rules of fuzzy controller, and design corresponding fuzzy controller. The control moment of the first active joint and the second active joint is got by the weighted sum of the output parameters of the hierarchical fuzzy controller. At last, using the co-simu-lation of Matlab and Adams and experiment achieve the tip point-to-point (PTP) position control of the 3R underactuated robots. The result shows this method have good effect on the aspect of achieving position con-trol of three-DOF planar underactuated robots.
Key words: underactuated; position control; dynamic coupling; fuzzy controller; co-simulation
0引言
欠驱动机器人是指机器人的某个或某些关节缺少驱动装置，即独立控制输入小于系统自由度。由于减少了系统的驱动数量，故欠驱动机器人具有重量轻，成本低，能耗低等优点，基于这些优点，其多用于太空、海底等对能源、重量有要求的场合，其所呈现出来的诸多优点引起了众多学者的关注，使这种机器人成为机器人研究领域的一个新热点12]。
由于欠驱动机器人结构特点导致其系统具有二阶非完整约束特性，动力学模型中存在强耦合、高度非线性和参数不确定性等因素。与全驱动相比，对欠驱动系统的控制难度已经大大增加了，对全驱动系统的控制方法已经不适用于欠驱动系统，因此必须设计新的工具和方法。自前，对于实现欠驱动机器人特定任务
收稿日期：201509-07：修回日期：201509-28
的控制仍是一个新的课题，并没有通用的理论。 Arai[34]运用反馈控制策略实现对平面3R欠驱动机器人的位置控制。DeLuca[5]分析了串联机械臂运动规划、轨迹跟踪的可行性，并用动力学反馈线性化的方法有效的解决了3R欠驱动机器人的运动规划问题。刘庆波等基于模糊控制理论实现了2R和3R欠驱动机器人的位置控制，但是在对3R欠驱动机器人位置控制时，使第一关节按照特定的规律运动到期望位置，只有第二个关节单独耦合被动关节进行运动，这不是真正意义上的三自由度欠驱动机器人的位置控制，而且在进行末端点到点的位置控制时，其是先反解出一组对应期望位置的关节角，然后再进行控制，这种位置控制也不是真正意义上的末端点到点的位置控制，而且在执行操作任务中还具有很大的局限性。
+基金项目：国家自然科学基金资助项目（51175006）；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20111103110002）
作者简介：吴方朋（1990—），男，河南濮阳人，北京工业大学硕士研究生，研究方向为欠动机器人控制，（E-mail）wufangpeng@emails.bjut.edu
cn；余跃庆（1958一），男，北京人，北京工业大学教授，博士研究生导师，研究方向为机器人学、机构学，（E-mail)ypyu@bjut.edu.en。万方数据