【摘 要】
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单杠体操机器人是欠驱动非线性系统的一个典型例子,是一种具有非驱动关节的机器人。它的摆起倒立动作运动范围大,运动具有高度的复杂性和非线性。顾名思义具有非驱动关节机器
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单杠体操机器人是欠驱动非线性系统的一个典型例子,是一种具有非驱动关节的机器人。它的摆起倒立动作运动范围大,运动具有高度的复杂性和非线性。顾名思义具有非驱动关节机器人,不是所有关节都有驱动装置,它的有些关节是被动的,也称自由的。其特点是输入空间(即控制空间)维数小于构造空间维数,这就增大了其在控制上的难度。但这种机器人的优点是显而易见的,由于驱动装置的减少,使机器人的重量减轻了,成本也降低了,同时也就减少了能源的消耗,诸多优点使这种机器人很有研究价值,是近些年机器人研究领域的热点。 本文以此类机器人为对象,进行了位置控制的研究,主要工作如下: 首先介绍了单杠体操机器人的特点、模型及研究现状,提出了本文所研究的单杠体操机器人的数学模型及控制目标,给出了部分反馈线性化方法及利用该方法所进行的摆动控制器的设计。 其次研究分析了分别应用极点配置方法和LQR方法对平衡控制器的设计,应用仿真试验的方法分别给出了两个控制器的吸引域范围,并进行了两种控制器性能的分析比较。基于系统稳定的快速性考虑应用控制器切换的控制方法研究了单杠体操机器人在摆动控制器及平衡控制器的切换作用下实现控制目标,给出了仿真结果。仿真结果表明本文设计的控制器能够使系统快速平滑地摆起并平衡于系统垂直向上的平衡点。从而验证了本文方法的有效性。 最后对本文进行了系统的总结,指出所研究问题的不足之处,并进行了展望。 本文方法具有以下两个特点:第一,通过大量仿真实验的方法,估计出了两种平衡控制器各自的吸引域范围;第二,通过采用极点配置和LQR方法设计不同的平衡控制器并进行有效的控制器间切换,使系统的摆起更易于进入平衡区,从而有效地减少了控制时间。在一定程度上改进了平衡区控制范围太窄难以进入的问题,进而缩短了系统达到控制目标的整体时间。
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