论文摘要：冗余驱动并联机器人容错控制的关键技术研究

机器人的应用范围已扩大到人类生产和生活的各个方面，极大地影响和促进了工业、国防和科技事业的发展。近年来，机器人在极限环境，如深海和宇宙空间的探索、核电站的检修、核废料的处理、化学实验的操作、医疗手术、油田进行消防灭火等领域代替人类工作发挥了很大的作用。一方面在这些特殊的环境中工作的机器人由于长期的连续运行，发生故障的可能性非常大，另一方面由于距离遥远、条件恶劣、危险等工作环境特性，修理的代价非常昂贵或者根本不可能及时地进行修理。然而一旦机器人失效将无法完成预定的工作任务，甚至可能造成灾难性的后果，这就对机器人提出了容错要求，希望在某些关节出现故障时机器人仍能继续完成预定的工作任务。针对并联机器人的容错研究不多，还没有形成较为系统的理论，因此提出并联机器人容错的框架，从并联机器人的运动学、动力学角度入手分析并联机器人的容错方法就成为一个十分重要且亟待解决的问题。本文探讨并联机器人利用冗余驱动来进行驱动器故障容错的方法，分析实现容错的可能性。首先根据达朗伯原理和虚功原理得到冗余驱动并联机构的动力学模型。在此基础上，研究冗余驱动带来的逆动力学问题的超静定特性，为机构的驱动力故障的容错提供了理论支持和数学依据。对于冗余驱动并联机器人，当部分驱动器发生故障时，只要故障驱动器的数目不多于冗余驱动器的数目，那么理论上就可以找到合理的力矩分配方案，由剩余的正常工作的驱动器来对故障驱动器进行补偿，以保障系统仍能工作。将并联机器人驱动器故障的容错分为故障驱动器隔离、降低故障驱动器输出两种情况，分析故障发生前后机构的运动学和动力学模型，探讨并联机器人利用冗余驱动来进行驱动器故障容错的力矩重新分配方案。结合冗余驱动并联机构驱动力矩分配的多解性，提出了考虑机构容错性能的力矩分配方法。以驱动器的输出裕度为依据，采用加权伪逆方法对各驱动器的输出进行单独调解，针对各驱动器的输出能力均衡分配输出力，提高系统的可靠性。定义容错性能度量指标并以改善机构容错性能为目标，提出了基于可靠度的特解构造法和考虑容错性能指标法来进行驱动力矩的分配，通过合理的分配故障前各驱动器的输出力矩，减小故障前后主动关节广义输出力的突变幅度，从而改善机构的容错性能。最后，以多指灵巧手抓持系统与并联机构的超静定的本质联系为前提，来解释多指灵巧手抓持过程中的冗余驱动机理，将冗余驱动并联机构的容错理论推广到多指灵巧手的容错问题，提出考虑灵巧手容错性的抓持力分配策略，以三指灵巧手为实例对两种典型的容错情况下的接触力矩分配进行了计算。

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