机械臂操作柔性负载系统的振动控制方法

论文摘要

随着现代科学技术的日新月异和社会经济的快速发展,机器人技术不断进步。机械臂也由于其自身优点而广泛应用于机械制造、航天航空、汽车工业、电子工业等各个领域。在航天、印刷线路板、汽车工业等领域由于大型或者轻薄金属板的应用,在操作过程中不可避免的要引起振动,但是这些领域对精确性与安全性的要求很高,因此振动必须得到控制。随着人类对太空的开发,越来越多的飞行物被送入太空轨道,长时间运行使这些飞行物不可避免地发生位置或者姿态上的变化,这对它们的运行会带来致命的危害,必须对它们进行维护。靠人力是不能完成这些工作的,必须依靠空间机器人。由于这些物体的电池板大都是由柔性材料做成的,并且体积庞大,在它们操作过程中必然会产生振动,这不仅给机器人的控制带来困难,给飞行物的运行也带来不确定性,因此对机器人的控制必须考虑振动特性。从国内外的研究现状来看,机械臂操作柔性负载系统的研究还处于起步阶段,在学术上对于协调控制及振动抑制问题还没有形成完整的体系,特别是对振动控制进行研究还很罕见。大多数学者都是对操作柔性物体过程中的某一个具体问题进行研究的,还有许多关键问题需要解决。目前,对于机械臂操作柔性负载这一高度非线性、强耦合、多自由度的复杂系统来说,系统模型的完整描述、动力学分析及控制策略还没有形成较为完整的理论体系；在机械臂搬运过程中柔性负载产生的振动,还没有有效的自成体系的控制策略；当负载到达某一位姿后对其进行加工,柔性负载受外力作用时的系统运动学和动力学特性及振动控制方法等也有待于进一步研究。因此对机械臂操作柔性负载系统的深入研究是十分有意义的,本文针对机械臂操作柔性负载系统振动控制方法进行了研究。首先,本文针对柔性负载是柔性梁结构的系统,利用有限元法对机械臂协调操作柔性负载系统进行动力学建模,将柔性多体系统离散化,把柔性负载分割成若干个彼此之间只有结点处相互联结的单元,每个单元都是一个弹性体,每个结点含有角位移和线位移两个自由度。然后利用拉格朗日方程建立该系统的动力学方程,把各个单元组合在一起,从而获得柔性负载的动力学方程。而为了使系统具有统一的坐标形式,同时给出了关节角坐标,末端执行器坐标与物体坐标之间的转换关系,并建立了系统的刚性动力学方程与振动方程。其次,本文基于输入成型技术对柔性负载进行振动抑制,考虑到神经网络可以任意精度逼近非线性函数的特性,以及柔性负载的固有性质。在实际操作过程中不可避免地产生振动,根据系统的实际需求,设计了具有一定鲁棒性的输入成型器。建立合理的鲁棒性约束方程,给出残余振动和脉冲幅值以及时间的关系,可以直接设计任意模态下的SI输入成型器。并利用输入成型器的周期性特点,缩短了成型时间。但是由于输入成型器和模型建立时,都会存在一定的不确定性。势必对系统的整体控制性能产生影响,因此采用了RBF神经网络算法对其进行逼近,结合自适应控制律,设计了基于误差的闭环控制。基于Lyapunov方程证明了系统的稳定性,并对结果进行了仿真验证。再次,在实际的工业生产中,抓取的柔性负载具有未知性,抓取物体的质量、密度、弹性模量都可能会发生变化,针对柔性负载的未知性提出了用自抗扰控制技术设计不完全依赖模型的控制器。由于在柔性负载上安装传感器是不现实的,因此本文通过在机械臂末端执行器上加装传感器,通过末端振动信息和物体自身特性判断出其它点的位置。以此作为输出,针对机械臂和柔性负载设计两个并联的扩张状态观测器,对每部分的未知模型和外部扰动进行动态估计,根据估计值和实际值之间的关系,设计反馈控制律提高系统的控制性能,从而达到抑制柔性负载的振动和轨迹跟踪控制的目的,并通过系统仿真证明所设计方法的有效性。最后,对本文的工作进行了总结,结合本人在机械臂系统、柔性多体系统等方面的研究心得,以及对力学、控制理论的深入学习,对有待进一步研究的问题进行了展望。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 机械臂操作柔性负载研究现状
• 1.2.1 单臂操作柔性负载
• 1.2.2 多臂协调操作柔性负载
• 1.3 振动控制研究
• 1.3.1 基于输入成型的前馈控制
• 1.3.2 基于观测器的反馈控制
• 1.4 本文主要内容及章节安排
• 第2章 机械臂操作柔性负载系统模型建立
• 2.1 引言
• 2.2 梁杆结构有限元建模基础
• 2.2.1 梁杆结构离散化
• 2.2.2 梁杆结构运动学
• 2.2.3 梁杆结构动力学
• 2.2.4 梁杆结构的振动特性
• 2.3 机械臂操作柔性负载系统的动力学建模
• 2.3.1 柔性负载运动学
• 2.3.2 柔性负载动力学
• 2.3.3 柔性负载的动力学模型
• 2.3.4 机械臂操作柔性负载系统动力学模型
• 2.4 本章小结
• 第3章 基于输入成型的振动抑制控制
• 3.1 引言
• 3.2 输入成型技术研究
• 3.2.1 输入成型原理及典型输入成型器
• 3.2.2 SI输入成型器设计
• 3.2.3 模态计算
• 3.2.4 仿真研究
• 3.3 对系统不确定性逼近的RBF网络自适应算法
• 3.3.1 模型分解
• 3.3.2 基于RBF网络算法的控制器及自适应律设计
• 3.3.3 仿真研究
• 3.4 本章小结
• 第4章 机械臂操作柔性负载系统的自抗扰控制
• 4.1 引言
• 4.2 基于自抗扰控制的观测器—控制器设计
• 4.2.1 模型分解
• 4.2.2 扩张状态观测器设计及其稳定性分析
• 4.2.3 控制器设计及稳定性分析
• 4.3 仿真研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 全文总结
• 参考文献
• 作者简介及在学期间所取得的科研成果
• 致谢