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欠驱动

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欠驱动(Underactuation)是机器人学控制理论中的术语,是指力学系统无法完全受控,依位形空间中的任意轨迹行进。会出现此情形的可能原因很多,最简单的是系统执行器的个数小于其自由度,此情形的系统称为显然欠驱动(trivially underactuated)。

有许多力学系统都是欠驱动的,包括汽车固定翼飞机,甚至动物也是。

定义

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为了要了解造成欠驱动的数学条件,需要探讨该系统的力学方程。牛顿运动定律指出力学系统的动态本质上是二阶的。一般而言,动态方程可以描述为二阶微分方程


其中:

是位置状态向量
是控制输入向量
是时间

许多系统的动态方程也可以改写为控制输入的仿射:


若写成上式时,若满足以下条件,即为不完全驱动[1]


若此条件成立,不论控制向量为何,总会有一些加速度的方向是无法产生的。

注意没有直接提到系统致动器的个数。因此,可能系统的致动器个数比自由度要大,但系统仍然是欠驱动的。另外,的秩和状态有关。因此一个欠驱动的系统,有可能除了一个特定状态以外,系统都是完全驱动,只有一个状态使系统欠驱动。

例子

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经典的倒单摆都是显然欠驱动系统的例子,系统有二个自由度(一个是支撑水平面的运动,另一个是单摆的角度),但透过倒单摆的小车只能直接控制水平面的运动,无法直接控制单摆的角度。虽然其本质上是极端不稳定的系统,不过倒单摆仍然是可控制的。

汽车也是欠驱动的系统,原因是因为车轮造成的非完整拘束条件。汽车无法往和车轮行进方向垂直方向上加速。船只、飞机也有类似的限制。

相关条目

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参考资料

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  1. ^ Tedrake, Russ. Underactuated Robotics: Learning, Planning, and Control for Efficient and Agile Machines (PDF). 2008 [2018-03-20]. (原始内容 (PDF)存档于2019-12-06). 

延伸阅读

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  • M. Saliba, and C.W. de Silva, "An Innovative Robotic Gripper for Grasping and Handling Research," IEEE Journal of Robotics and Automation, pp. 975–979, 1991.
  • N. Dechev, W.L. Cleghorn, and S. Naumann, “Multiple Finger, Passive Adaptive Grasp Prosthetic Hand,” Journal of Mechanism and Machine Theory, Vol. 36, No. 10, pp. 1157–1173, 2001.

外部链接

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