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移动机械手结合了移动机器人和机械手的优点,通过将移动平台和机械手有机地结合起来,移动机械手系统在理论上拥有几乎无限大的工作空间和灵活的操作性。因此,其建模和控制问题的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文以全方位移动机械手系统为背景,结合国家自然科学基金项目“移动机械手的协调运动规划与控制(No.60475030)”,对其建模与控制问题展开研究。
首先,简要地介绍了机器人的产生背景和历史意义,通过对固定座式机械手和移动机器人的详细说明,引出了移动机械手的概念,并从基础理论研究和工程实践的角度说明了相关研究的目的和意义。同时,对移动机械手系统建模与控制问题作了全面的综述,并阐述了选题背景和论文主要内容。
其次,详细介绍了一种全方位移动机械手系统的机械体系结构、运动控制系统、传感器系统,并对该系统的特点进行初步分析。同时,设计了一种基于多线程技术的控制软件,并详细地说明了该控制软件的体系结构、架构方法和工作流程。
第三,应用拉格朗日力学法详细地建立了全方位移动机械手系统的一体化动力学模型,然后分析了该模型的性质,并根据所得到的一体化动力学模型,设计了一种轨迹跟踪控制器,仿真实验说明了模型的正确性和控制算法的有效性。
第四,通过对全方位移动机械手系统的机械体系结构分析,运用牛顿-欧拉法建立了全方位移动平台的运动学模型和全方位移动机械手的一体化运动学模型,并设计了基于运动学模型的轨迹跟踪控制器,通过仿真实验说明了模型的正确性和控制算法的有效性。
第五,结合全方位移动平台的运动学模型和全方位移动机械手的一体化动力学模型,提出了一种计算全方位移动平台和机械手之间耦合作用的方法,并进一步设计了一种基于运动学模型和动力学模型的轨迹跟踪控制方法,仿真结果显示了其有效性。
第六,针对全方位移动机械手中模型不确定性和外部扰动的影响,提出了一种基于运动学和动力学相结合的神经网络自适应控制框架。在这种控制框架下,对于全方位移动平台,采用基于运动学模型的控制方法。对于机械手,首先分析了由全方位移动平台运动所产生的耦合力作用,然后设计了一种基于神经网络的自适应控制器,这种神经网络自适应控制器能够对模型不确定性进行补偿,并采用Lyapunov稳定性理论证明了其收敛性,仿真结果亦说明了其有效性。
最后,对取得的研究成果进行了总结,并展望了需要进一步研究的工作。