● 摘要
本文致力于研究欠驱动机械系统的非线性控制以及柔性双臂空间机器人捕捉物体时的冲击影响、控制问题。欠驱动系统是控制输入数目小于系统广义坐标数目的系统。由于在空间机器人、水下机器人中的广泛应用，使欠驱动系统的控制问题受到人们的极大关注。欠驱动机器人的例子包括平面欠驱动机械臂、柔性杆机器人、移动机器人、行走机器人、带移动平台的机器人、汽车、拖车系统、蛇型机器人、Acrobot机器人、垂直起降飞机、直升机、卫星、船舶以及水下机器人等。本文以欠驱动机械臂以及柔性双臂空间机器人为研究对象，重点在以下几个方面进行研究：（1）以RR型平面欠驱动机械臂为研究对象，分析被动关节在不同位置时候，系统的可控性问题。采用分阶段控制，研究了第一个关节为主动关节，第二个关节为被动关节的RR型平面欠驱动机械臂的位置控制问题。采用李雅普诺夫函数，推导使整个系统绕第一个主动关节做圆周运动的控制器，然后设计控制器使得整个系统稳定在一个平衡点（系统的状态变量为零），最后证明，通过逆控制，可使系统从该平衡点位置运动到期望的位置。（2）分析了被动关节在不同位置时候，PR型平面欠驱动机械臂的可控性问题。研究了被动关节上具有摩擦力时的PR型平面欠驱动机械臂的平衡点（系统的状态变量为零）的稳定性问题。首先通过控制将被动关节稳定在原点（被动关节的位置和速度都为零），然后在不影响被动关节的前提下，将主动关节稳定到原点。（3）利用微分几何理论，研究被动关节在不同位置时的三自由度欠驱动机械臂的可控性问题。在已有文献的基础上，采用不同的控制方法，研究了PPR型平面欠驱动机械臂的位置控制问题。（4）通过坐标和输入变换将系统动力学方程变成一个简单的形式，利用反步法研究了三自由度平面欠驱动机械臂的轨迹跟踪问题。在此基础上研究了系统存在不确定因素时的鲁棒控制问题。（5）根据研究平面欠驱动机械臂系统得到的控制结论，针对其他具有二阶非完整约束的机械系统(垂直起降飞机，水面船舶)的控制问题进行研究。（6）分析了柔性双臂空间机器人捕捉目标时的策略，研究了辅助机械臂在各种姿态下对被捕捉物体速度的影响，同时对捕捉后的整个系统采用计算力矩法进行控制。