柔性关节机械臂振动抑制控制策略的研究

摘要

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件因其独特性能而广泛应用在机器人关节系统中,以获取高减速比,对关节力矩的检测和实现关节的模块化。但同时这些柔性元件的存在为机器人系统引入了关节柔性,使得对其的稳定控制变得更为复杂,由于参数不确定性和外部扰动的存在,机器人运行过程中会出现振颤,而当机器人运行停止后,由于关节柔性的存在而又会使得机械臂有振动残留,这一现象不仅将大幅降低系统工作效率,而且还会使机械臂末端不能快速且准确地停留在期望位置,从而使高精度位置控制目标失去意义,因此必须采取措施对振动进行抑制。本文将研究含有关节柔性的机械臂的高精度位置控制和振动抑制控制算法,结合仿真软件Simulink对所设计的控制器进行仿真,并以实验室7自由度仿人型机械臂为实验平台进行实验验证。
　　本文首先对柔性关节机器人建立了数学模型,然后采用牛顿-欧拉法建立了考虑关节柔性的7自由度仿人型机械臂的动力学模型。
　　制定了机械臂的高精度位置控制策略,并基于LuGre动态摩擦模型对关节摩擦进行在线辨识和补偿;基于反步法为单柔性关节机械臂设计了位置控制器,但由于传统反步法对系统模型参数的精确性有较高要求,参数的不确定性和外部扰动会使得控制器性能显著下降,为此设计了基于模糊自适应的扰动观测器对关节端扰动和电机端扰动分别进行观测,同时采用动态面法为反步控制器设计一系列一阶低通滤波器以消除传统反步法对机械臂系统加速度和加加速度信号的依赖;2连杆柔性关节机械臂的控制器Simulink模型仿真实验验证了该算法在机械臂运行平稳性控制方面的有效性。
　　为弥补开环控制在残余振动抑制方面存在的抗干扰能力差的缺点,设计了以PD型模糊控制器为闭环、以输入整形技术为开环的复合控制器,引入负振幅脉冲,合理设计各脉冲的幅值和时滞,改善了传统ZVDD整形器时滞较大的缺点,Simulink仿真结果表明开闭环复合控制器在振动抑制和抗干扰性能方面均有较大提高,模糊控制的引入避免了传统PD+重力补偿算法对模型参数的依赖,同时消除了PD算法中控制增益受硬件限制的缺点。
　　最后通过相关的实验对所研究的控制算法进行验证。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 柔性关节机械臂的控制综述

1.3 本文的主要研究内容

第2章 7自由度仿人型机械臂硬件结构及动力学建模

2.1 引言

2.2 柔性关节机械臂数学模型

2.3 七自由度仿人型机械臂硬件结构系统及其动力学模型

2.4 本章小结

第3章 柔性关节机械臂的过程振动抑制控制策略

3.1 引言

3.2 柔性关节机械臂的高精度位置控制

3.3 基于模糊自适应控制的柔性关节机械臂反步控制器设计

3.4 模糊自适应反步控制系统的Simulink仿真

3.5 本章小结

第4章 柔性关节机械臂的残余振动抑制控制策略

4.1 引言

4.2 基于PD型模糊控制的闭环控制器设计

4.3 基于输入整形的开环控制器设计

4.4 多模态整形器方案及开闭环耦合方式设计

4.5 PD型模糊控制及输入整形复合控制器的Simulink仿真

4.6 本章小结

第5章 实验研究

5.1 引言

5.2 摩擦自适应辨识和补偿实验

5.3 模糊自适应反步控制器过程振动抑制实验

5.4 复合控制器残余振动抑制实验

5.5 本章小结

结论

参考文献

附录

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致谢