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研究生:林志哲
研究生(外文):Lin, Chih-Jer
論文名稱:具贅餘自由度機械臂之運動規劃與追蹤控制
論文名稱(外文):Motion Planning and Tracking Control of Redundant Robot
指導教授:陳朝光, 陳介力
指導教授(外文):Cha''o-Kuang Chen, Chieh-Li Chen
學位類別:博士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:1998
畢業學年度:86
語文別:中文
論文頁數:211
中文關鍵詞:具贅餘自由度機械臂運動規劃軌跡追蹤控制順滑控制任務優先計算力矩法
外文關鍵詞:Redundant RobotsMotion PlanningTrajectory trackingSliding controltask-prioritycomputed torque
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在機械臂之運動規劃的研究中,由於具贅餘自由度機械臂擁有著多餘
的自由度,除了達成手端任務外,可同時達成一些額外的任務,如避開障
礙物、避開奇異點等等。傳統在規劃此具贅餘自由度的運動時,通常利用
pseudo-inverse法或零空間法,但是由於pseudo-inverse法無法用在奇異
點附近,而零空間法之過程又較為複雜。因此本文提出擾動運動規劃法來
解決具贅餘自由度機械臂之運動規劃問題,此方法由於只利用到機械臂之
順向運動學,不須計算Jacobian矩陣之反矩陣,故對於奇異點具有強健性
。經由利用容許空間的觀念又可以解決各種具贅餘自由度機械臂之任務優
先的問題。 在機械臂軌跡追蹤控制之研究,本文提出將計算力矩法與
順滑控制結合的控制器。此方法利用計算力矩法之控制律作為順滑控制器
之等效控制律,且使用積分型的切換控制律。經過利用順滑控制之理論,
可證明此控制器具有著Lyapunov穩定的特性且不會有顫震現象。另外,亦
將此具全程強健且無顫震的順滑控制方法延伸到機械臂之軌跡追蹤控制器
上。此方法之順滑平面比傳統順滑平面高一維,而使得其順滑平面通過起
始狀態,因此順滑模態一開始便存在。在不損及強健性之前提下消除顫震
現象,使得受控系統在整個控制過程對不確定因素具有不變性。 為
了估測機械臂之運動規劃之位置誤差與軌跡追蹤時之角度誤差對機械臂手
端之誤差的影響,本文亦利用齊性轉換矩陣推導出一個手端位置誤差的估
計方法。
For the motion planning of the robots, a redundant
manipulator can achieve multiple tasks using the degree of
redundancy. In this paper, a redundancy resolution problem is
formulated with multiple criteria into a local equality and
inequality constrained optimization problem. The proposed
approach using the forward kinematics and the perturbation
method can be applied to solve the motion-planning problem with
task priority requirements. Different to the conventional
approach, the inverse of the Jacobian matrix is not used in the
proposed method. The proposed method also provides a unified
approach to solve motion planning problems with multiple tasks.
For the trajectory tracking of the robotic manipulator, a
control scheme is proposed for robust trajectory tracking of
manipulators based on the computed torque method and the sliding
control theory. The method linearises and decouples the
nonlinear and coupled dynamic equations of a robot by the
computed torque method. Then the sliding-mode controller is
introduced to compensate the parameter uncertainties and bounded
disturbances for tracking accuracy. A switching control scheme
is proposed to avoid chatting of the control torque. A sliding
mode controller design with global invariance is applied to
robot trajectory tracking. The sliding surface is assigned such
that the sliding mode motion will occur while the proposed
control law is applied. This results in a system with global
invariance. The positioning accuracy of the end-effector subect
to motion planning and tracking control error is also presented.
封面
中文摘要
英文摘要
誌謝
目錄
表目錄
圖目錄
符號說明
第一章 緒論
1-1 前言
1-2 文獻回顧
第二章 問題描述與理論基礎
2-1 機械臂之運動學
2-1-1 機械臂之順向運動學
2-1-2 機械臂反向運動學的問題描述
2-2 動態規劃法
第三章 機械臂之運動規劃問題
3-1 擾動運動規劃法之原理
3-1-1 解析運動率控制法
3-1-2 以最佳化方法來描述反向運動學問題
3-1-3 擾動法之原理
3-2 具容許區域之擾動運動規劃法的應用
3-2-1 奇異點強健性問題
3-2-2 操作性最佳化問題
3-2-3 障礙物之迴避問題
3-3 具贅餘自由度機械臂之任務優先問題
第四章 機械臂之軌跡蹤控制
4-1 運動規劃與軌跡追蹤控制之架構
4-2 結合計算力矩法之順滑控制器
4-2-1 問題描述
4-2-2 理論推導
4-3 具全程強健且無顫震順滑軌跡追蹤控制器
4-3-1 問題描述與文獻回顧
4-3-2 機械臂軌跡追蹤控制之應用
4-4 數值模擬與討論
4-4-1 軌跡追蹤問題之模擬與討論
4-4-2 運動規劃結合軌跡追蹤問題之模擬與討論
第五章 機械臂之誤差分析
5-1 誤差來源
5-1-1 機件誤差
5-1-2 控制誤差
5-2 模擬範例與討論
第六章 實驗結果與討論
6-1 機械臂簡介
6-1-1 機械臂之順向運動學關係
6-2 實驗結果與討論
第七章 結論與建議
7-1 結論
7-2 未來研究方向之建議
參考文獻
自述
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