21、带机械臂的自主移动机器人动力学与可控性分析

带机械臂的自主移动机器人动力学与可控性分析

1. 引言

随着新技术的发展，机械臂（M）得以在人类难以涉足的极端环境中发挥作用。例如，机械臂和自主移动机器人（AMR）可用于消除环境和人为灾害的后果；远程控制的机械臂能处理放射性物质；机械臂还能在太空或海底进行结构组装等。通常，极端环境作业会采用远程控制的机器人和机械臂，很多时候，远程控制的机械臂会安装在可控移动平台上。

这种结构虽拓展了机械臂的服务特性，但对控制和监测系统的设计提出了更高要求。像航天器、船舶、轮式底盘等上面安装机械臂的情况，平台的运动会影响机械臂的运动学和动力学，导致定位误差增大，抓爪极点偏离指定轨迹。机械臂在移动平台上的动态过程可分为三种运动模式：
- 平台沿给定路线“锁定”机械臂的受控移动；
- 平台静止时机械臂执行技术操作；
- 平台受控移动时机械臂执行技术操作。

对于“锁定”机械臂的平台受控移动，不同底盘设计已有较多研究。例如，有研究分析了全轮驱动四轮转向架转弯时的动力学；也有提出通过坐标变换和输出转换为链形式来修改动态方程系统；还有将方程系统转换为柯西标准形式，并对新自变量进行后续微分；部分研究中转向架动力学方程相对于道路坐标，能很好地确定与给定轨迹的偏差。

当机械臂安装在静止平台上执行技术操作时，考虑相对于与机械臂和平台对接点相关的固定坐标系的动力学方程是合适的。此时，机械臂的运动学和动力学分析问题的解决取决于平台和带负载机械臂的惯性特性之比。负载可以是被操作对象、探头、钻头、铲斗等。在构建机械臂动力学方程时，有牛顿 - 欧拉法和拉格朗日 - 欧拉法两种方法。为模拟机械臂的动力学和控制过程，可使用 Mathcad 或 Matlab 等数学软件包。要在极端条