摘要
随着人工智能和计算机技术的发展，机器人技术的研究和应用已从工业领域广泛扩展到航空航天、国防安全、医疗康复、社会服务等领域。国务院于2015年印发的《中国制造2025》，规划的核心就是使中国从“中国制造”走向“中国智造”，最终实现“中国创造”，推动未来我国机器人产业向中高端迈进。机械臂作为机器人领域中使用最广的一种机械装置，亦受到学者们的关注。在自动化技术飞速发展的今天，单一的机械臂在信息获取及处理、控制和操作能力等方面存在一定局限性，尤其面对庞大的装配工作、搬运重物或软物、安装或修理负载零件等复杂任务和多变的工作环境，机械臂能力更为有限，因此需要两个甚至多个机械臂组成的多机械臂系统通过信息交互、资源和任务分配及协调合作来完成单个机械臂无法完成的复杂工作。相较于单一机械臂，多机械臂系统中，不仅单个机械臂具有一定感知、通信、计算和执行能力，而且通过相邻机械臂之间的协调与合作，能够从整体上实现复杂工作任务和目标。由于通信网络受扰、拓扑结构变化及状态信息不可测等情况在实际应用中经常存在，使多机械臂系统的分布式控制研究难度更大，挑战性强。本文基于多智能体理论，充分考虑复杂网络条件下多机械臂系统动力学模型参数的不确定性及结构是否相同等情况，研究间歇通信环境下多机械臂系统分布式协调跟踪控制问题，属于智能机电装备与控制技术领域。主要研究内容包括： 一、利用多智能体理论及拉格朗日方法对多单连杆及多双连杆机械臂系统进行动力学建模，同时介绍与本文相关的代数图论、矩阵论、Lyapunov稳定性理论等数学工具和理论知识，为接下来的具体研究内容提供理论基础。 二、针对线性化的多单连杆机械臂系统，提出一种新的分布式切换控制器，构建最优多步设计算法来设计控制器的状态反馈增益矩阵、耦合增益和通信速率，并利用切换系统稳定性理论证明控制器的稳定性。在此基础上，综合考虑多单连杆机械臂系统中间歇通信和非线性同时存在的情况，提出一种新的分布式切换控制器，并通过Lipschitz条件对非线性项进行处理，构建新的算法来设计控制器的参数和通信速率，进一步利用切换系统稳定性理论证明了当通信速率大于某个阈值时，系统达到稳定。 三、考虑动态切换的通信网络拓扑结构，研究多单连杆机械臂系统面向间歇通信约束的分布式协调跟踪问题。首先，设计状态观测器来估计跟随机械臂的实际电机角速度和连杆角速度等状态信息；然后，基于动态切换的通信网络拓扑结构引入可调的异构耦合加权参数，并设计和分析基于间歇通信和状态观测器的分布式协调跟踪控制律及其稳定性；在此基础上，将上述提出的分布式协调跟踪控制方法改进并拓展应用到更为广泛的一种情况，即间歇通信方式由正常通信和通信中断两种时间间隔扩展为正常通信、领导者与跟随机械臂通信中断和所有机械臂通信中断三种时间间隔。最后，对多单连杆机械臂系统进行仿真实验，验证了两种分布式跟踪控制律不仅能够实现跟踪控制目标，而且解决了间歇通信和状态信息不可测的实际约束问题。 四、针对间歇通信环境下考虑无信息约束和受到信息约束的异构多机械臂系统，解决分布式输出一致性跟踪控制问题。首先考虑无信息约束时，提出基于间歇通信的分布式协调跟踪控制器，构建设计算法来求解控制器参数；建立虚拟系统来重构领导者的状态；并利用Lyapunov稳定性理论证明了控制方法的有效性。然后进一步针对受到间歇通信和状态不可测的综合约束，建立基于最优控制方法的虚拟系统实现对领导者状态矩阵的估计，并重构领导者的状态信息；构建状态观测器来估计跟随机械臂的实际状态；进而提出新的多步设计算法来设计分布式输出一致性跟踪控制器的参数；最后，通过稳定性分析证明了本文设计的控制器能够有效解决异构多机械臂系统的通信约束和信息约束问题，并能实现输出一致性跟踪目标。而且此方法可以推广到参数、结构和系统矩阵维度都不相同的异构多智能体系统，更具一般性。 五、针对间歇通信环境下具有静态领导者和动态领导者的多双连杆机械臂系统，解决分布式协调跟踪控制问题。首先，针对带有静态领导者的多机械臂系统，提出分布式协调跟踪控制器；同时构造多步算法设计控制器参数并通过Lyapunov稳定性和切换系统稳定性理论证明系统的稳定性。然后针对带有动态领导者的多机械臂系统，设计分布式估计器实现跟随机械臂对于领导者关节速度信息的估计；同时设计基于状态估计的分布式协调跟踪控制器，并提出新的多步设计算法构建控制器参数；最后，通过仿真实验与分析，证明了控制器的有效性和正确性。进一步将此方法应用于实验室开发的双连杆机械臂平台，实验结果表明本文设计的分布式协调跟踪控制器能够有效解决间歇通信环境下多双连杆机械臂系统的分布式协调跟踪问题。
NETL