由扭转卷曲致动器驱动的二自由度机械腕的设计、动力学建模与控制
机器人学
2025-07-31 v2 系统与控制
系统与控制
摘要
人工肌肉驱动的模块化软体机器人在执行复杂任务方面展现出巨大潜力。然而，由于缺乏针对多自由度(DOF)配置定制的基于动力学模型的控制策略，其更广泛的应用仍受到限制。本文提出了一种新颖的二自由度机械腕设计，将其设想为此类先进机器人系统的基础构建模块。该机械腕模块由扭转卷曲致动器(TCAs)驱动，并采用紧凑的3RRRR并联机构，以实现具有增强运动能力的轻量化结构。建立了一个全面的拉格朗日动力学模型以捕捉该模块复杂的非线性行为。利用该模型，设计了一种非线性模型预测控制器(NMPC)以确保精确的轨迹跟踪。制作了该机械腕的物理原型，并进行了大量实验以验证其运动性能及所提出动力学模型的保真度。随后，在各种操作条件下对NMPC与传统PID控制器进行了对比评估。实验结果证明了基于动力学模型的控制方法在管理TCA驱动机械腕运动方面的有效性与鲁棒性。最后，为了展示其实用性与可集成性，该机械腕模块被集成到多段软体机械臂中，并成功执行了轨迹跟踪任务。
引用
@article{arxiv.2503.05508,
title = {Design, Dynamic Modeling and Control of a 2-DOF Robotic Wrist Actuated by Twisted and Coiled Actuators},
author = {Yunsong Zhang and Xinyu Zhou and Feitian Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.05508},
year = {2025}
}