刚-柔耦合机械臂动力学建模及其振动抑制研究

摘要

人类对太空领域的探索以及航天事业的发展，极大的推动了机器人技术的发展和应用。其中，柔性机械臂质量轻便、定位精度高的特点尤其适合机器人作业，因此，在刚性基础上加入柔性元素成为机器人研究领域的热点方向。
　　刚-柔耦合性机械臂系统不仅存在大范围刚体运动，也存在柔性小变形弹性振动。柔性臂的弹性振动会增加很多不确定因素，影响系统稳定，且难以保证执行端的精度，因此需要选用合适的控制策略，实现对柔性机械臂振动的控制，使系统运行结果达到预定目标。
　　本学位论文总结了柔性机械臂的研究现状，讨论了机械臂动力学建模方法，以刚-柔耦合机械臂系统为模型，基于假设模态法和Lagrange方程，建立了刚-柔耦合机械臂系统的动力学模型，并截取一阶模态对动力学模型进行数值计算仿真研究。在动力学模型的基础上，通过比较不同控制策略的优缺点，选取滑模变结构控制方法对刚-柔耦合机械臂系统进行控制理论与方法的研究，通过对柔性机械臂采用合适的控制律抑制末端弹性变形并进行仿真分析，所得结果与采用PID控制策略得到的弹性末端变形结果进行对比，得到了两种不同控制策略中更适合柔性机械臂控制的方法。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 机械臂研究现状

1．3 柔性机械臂动力学建模研究现状

1．3．1 柔性体离散化方法

1．3．2 动力学原理

1．4 本文主要工作安排

第二章 柔性机械臂系统运动学与动力学分析

2．1 柔性机构梁的选择

2．2 梁的弯曲振动

2．3 梁弯曲自由振动的解

2．4 梁的边界条件

2．5 主振型的正交性

2．6 连续系统的强迫振动

2．6．1 系统无阻尼强迫振动

2．6．2 有阻尼的微分方程

2．6．3 主坐标运动微分方程

2．7 Lagrange方程

2．8 假设模态法

2．9 本章小结

第三章 刚-柔耦合机械臂动力学建模

3．1 引言

3．2 刚-柔耦合机械臂系统基本假设

3．3 柔性体上任一点的状态变量

3．4 刚-柔耦合机械臂系统简化模型

3．5 柔性臂振动模态分析

3．6 刚-柔耦合机械臂动力学方程

3．6．1 刚-柔耦合机械臂系统的动能

3．6．2 刚-柔耦合机械臂系统的势能

3．6．3 刚-柔耦合机械臂系统广义力

3．6．4 刚-柔耦合机械臂系统的动力学方程

3．7 刚-柔耦合机械臂系统动力学方程的矩阵形式

3．8 刚-柔耦合机械臂系统仿真研究

3．9 本章小节

第四章 刚-柔耦合机械臂控制策略

4．1 引言

4．2 常用的控制方法

4．3 滑模变结构控制(sliding mode control，SMC)

4．3．1 滑模变结构系统基本概念

4．3．2 滑模变结构控制原理

4．3．3 滑动模态存在条件与滑动模态方程

4．4 滑模变控制系统设计及仿真

4．5 PID控制原理

4．5．1 模拟PID控制

4．5．2 PID仿真分析

4．6 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文完成的主要工作

5．2 对未来工作的展望

参考文献

发表论文和参加科研情况

致谢