【摘要】：連續型機械臂擁有剛性機械臂無法比擬的柔順性,在許多領域內發揮著越來越重要的作用,但與此同時,連續型機械臂的控制問題成為其相關技術研究的重點和難點。本文主要圍繞采用氣動柔性驅動器的氣動連續型機械臂,進行合理的結構及系統設計,并搭建實驗平臺;進一步地,針對強非線性控制問題,考慮基于數據驅動的方法,開展氣動連續型機械臂的無模型控制策略研究。首先,針對氣動連續型機械臂的柔順抓捕任務需求,分析連續體生物的仿生機理,并依據肌肉性靜水骨骼原理確定機械臂的動作方式、執行機構的種類與裝配位置;其次,在確定所用氣動柔性驅動器的合理布局之后對其工作原理及內部結構進行分析并確定參數;在完成氣管與電氣布線之后可使氣動連續型機械臂達成靈活彎曲運動的目的。最終,在完成氣動連續型機械臂的總體布局之后,針對機械臂動作快速性與穩定性的要求,分析氣動系統與控制系統的組成與工作原理,對氣動元件和控制元器件進行合理選型,完成硬件實驗平臺系統的設計與搭建工作。在建立合理的框架結構的基礎上,考慮較為精確的氣動柔性驅動器模型,對單氣路通道進行控制,通過數值仿真驗證系統設計的合理性并為控制系統實現提供思路。進一步地,針對含有多氣路通道的氣動連續型機械臂超冗余自由度的問題,需要設計合理的運動學模型表達關節空間與任務空間映射關系;針對氣動連續型機械臂在處于豎直狀態下的齊次轉移矩陣奇異問題,根據模式形狀函數建立模態運動學。針對連續型機械臂動力學模型中含有復雜項的積分表達式所導致的計算量過大問題,采用了基于遞歸計算的方法簡化動力學模型表達式以提高計算效率。針對系統模型存在不確定性、同時伴有強非線性問題,為了能夠對氣動連續型機械臂進行更好地形狀控制,主要設計了無模型自適應滑模控制器(Model-free adaptive sliding mode controller,MFASMC);首先針對拉格朗日型動力學模型,根據廣義Lipschitz條件對該模型進行全格式(同時考慮I/O變化量)動態線性化,其次,考慮相應的準則函數,得到無模型自適應控制器(Model-free adaptive controller,MFAC),并依據修正的投影算法估計其中未知的偽偏導數矩陣,再次,為加快誤差的收斂速度,設計滑模控制器(Sliding mode controller,SMC)共同作用于被控對象,通過數值仿真觀察控制算法的效果,并與PD控制進行對比,最終通過硬件實驗平臺完成柔順抓捕任務,驗證控制策略的有效性。
【圖文】：

d) OctArmIV e) OctArmV f) OctArmVI圖 1-1 Clemson 大學 Walker 團隊連續型機器人[11-16] Istituto Italiano di Tecnologia 大學的 Kang 教授研制了模塊氣動肌肉驅動器作為執行機構，共含有 6 段，，總長為 670m策略采用分級控制將原型機的期望動作與各驅動器的輸入

圖 1-2 IIT 大學 Kang 教授連續型機械臂[17動化公司于2010年研制了仿象鼻人機A)[18]，如圖 1-3 所示，總長度為 750由 3D 打印技術制成，材料為聚酰胺置在工廠環境中，其靈活性與安全
【學位授予單位】：哈爾濱工業大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TP241

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