基于液体阻尼器和运动规划的柔性机械手振动抑制研究

摘要

传统刚性机器人由于能耗高、载荷比小、操作速度低等缺点,已经很难适应工业发展。柔性机器人克服了上述缺点,具有能耗低、载荷比大、运动灵活等优点,在航空航天领域、高速高精度制造等领域有着广阔的应用前景。由于柔性机械手存在弹性变形,使其成为一个高度非线性的、分布参数的、强耦合的无限维多输入输出系统,其运动控制比刚性机械手更复杂和困难。为此,本文以柔性机械手为研究对象,采用增大阻尼和运动规划方法来研究其振动抑制问题,主要内容如下:
　　 将液体阻尼器应用到柔性机械手臂以减小振动响应,主要思路是结合液体阻尼器的优点以及机械手臂的自身特性,从挤压油膜效应出发,设计液体阻尼器。采用有限元法建立液体阻尼器的模型,并利用响应曲面法得出液体阻尼器参数与其阻尼特性的关系。利用模态规划法得出各模态下的阻尼特性,并采用等效弹簧-阻尼单元方法计算独立于结构固有频率的等效阻尼。将阻尼器进行分段处理,并与全处理阻尼器作对比,结果表明分段处理阻尼器在振动抑制上有更大潜力。
　　 由于机械手振动的复杂性,采用雷诺方程具有一定局限性,所以结合N-S方程建立含有惯性项和剪切力的阻尼器全耦合模型来进一步完善上述分析。在湍流和层流两种情况下,对全耦合模型与挤压油膜模型得出的结果进行对比,得出在雷诺数较低时,两种模型的计算结果重合度很好;当雷诺数较大时,随着惯性力影响增大,两者的计算结果误差逐渐增大。
　　 针对柔性机械手参数不确定性和外界激励复杂性,将磁流变液应用于该阻尼器并对磁流变液阻尼器的阻尼特性进行分析,同时设计了Bang-Bang控制器,并与被动控制作对比,结果显示半主动阻尼器在振动抑制上具有更加优越的性能。为分析阻尼器对柔性机械手零动力学的影响,以单杆机械手臂为对象建立系统模型,通过分析阻尼对系统稳定性和动态性能指标的影响,得出阻尼可明显提高系统零动学的相对稳定性,并改善系统动态性能。
　　 从运动规划角度出发,借助虚拟样机分析了柔性机械手运动学参量与动力学性能的关系,以角加速度为优化变量,以应变能最小建立目标函数,阐述数值求解实现过程。算例结果验证了该方法在柔性机械手振动抑制上的有效性。