柔性机械臂主动控制研究

摘要

随着科学技术的发展，对工业机械臂的要求也越来越高，但是常用的刚性机械臂自重较大，运动不够灵活，难以适应工业生产上的需求。相比之下运动更加灵活的柔性机械臂吸引了更多关注。相对于刚性机械臂，柔性臂具有驱动能耗低、载荷自重比大等特点。但是由于柔性的引入，使得动力学特性更为复杂，实现其高精度的跟踪控制更为困难。因此一直是机器人学中的热点问题。　　柔性机械臂的结构柔性主要存在两个方面，即关节柔性和连杆柔性两部分。因此本文首先分别进行柔性关节机械臂动力学建模研究和柔性连杆机械臂的动力学建模研究，并分别提出控制算法对其进行控制，最后综合考虑关节柔性和连杆柔性对机械臂的动力学特性的影响，提出相应的控制方法。通过计算机仿真和实物仿真，验证了所提算法的有效性。　　针对柔性关节机械臂的结构特点，采用电压控制法取代常用的力矩控制法，以关节处电机的电压作为整个柔性关节机械臂系统的控制输入，机械臂连杆的转角值作为系统输出，对柔性关节机械臂的轨迹进行跟踪。基于神经网络理论设计控制器，可在机械臂本体参数未知的情况下对机械臂进行控制。　　其次，针对柔性连杆机械臂的结构特点，以假设模态法描述臂杆的弹性振动，通过重定义系统输出解决了系统最小相位特性问题。基于非线性状态观测器和输入输出控制法设计控制器，成功实现了对柔性连杆机械臂的轨迹跟踪。通过遗传算法对控制增益进行优化，使增益随误差反馈自行调节，以获得更优的抑振效果。控制方法较为简单，机械臂系统响应迅速且运动平稳。　　然后，结合关节柔性和连杆柔性研究机械臂的控制问题，基于奇异摄动控制法将机械臂系统分解为快、慢变子系统，通过建立神经网络对慢变子系统进行逼近，设计线性二次型控制器控制快变子系统。仿真证明控制算法能够迅速跟踪理想轨迹。　　最后搭建平面二连杆机械臂实验平台，在PC机中建立控制系统并通过运动控制卡间接的控制机械臂运动。实验结果证明了控制方法的可行性。

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摘 要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 柔性机械臂研究的背景与意义

1.2 柔性机械臂的应用与发展趋势

1.2.1 柔性机械臂的应用

1.2.2 柔性机械臂的发展趋势

1.3 柔性机械臂的动力学建模方法

1.3.1 柔性关节机械臂建模研究现状

1.3.2 柔性连杆机械臂建模研究现状

1.4 智能算法在柔性机械臂主动控制中的应用

1.4.1 人工神经网络的发展及应用

1.4.2 遗传算法在柔性机械臂控制中的应用

1.5 其它控制方法的应用

1.6 本文研究内容

第二章 柔性关节机械臂的控制研究

2.1 控制难点及解决方法

2.2 电压控制法的发展与应用

2.3柔性关节机械臂的建模

2.4神经网络控制器设计

2.5仿真分析

2.6本章小结

第三章 柔性连杆机械臂的控制研究

3.1 柔性连杆机械臂的控制难点

3.2 柔性连杆机械臂的建模

3.2.1 动力学建模

3.2.2 假设模态法

3.2.3 动力学方程

3.3 输入输出控制器的设计

3.4 基于非线性状态观测器的控制

3.4.1 非线性状态观测器的必要性

3.4.2 非线性状态观测器的设计

3.5 遗传算法调节参数

3.5.1 遗传算法简介

3.5.2 遗传算法计算步骤

3.6 仿真实例

3.7 本章小结

第四章 关节及连杆均存柔性的机械臂的控制研究

4.1 控制难点及解决方案

4.2 奇异摄动控制法的简介

4.3 关节及连杆均存柔性的机械臂的建模

4.3.1 基于拉格朗日动力学的机械臂的建模

4.3.2 基于奇异摄动法的机械臂的建模

4.4 控制器设计

4.5 仿真分析

4.6 本章小结

第五章实验验证与分析

5.1 实验平台的基本结构及功能

5.2 实验平台的搭建

5.2.1 机械结构设计

5.2.2 伺服控制系统的设计

5.2.3 实验平台控制软件

5.3 实验仿真与分析

5.4 本章小结

第六章全文总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间主要的论文及参与的科研项目

致谢