【摘要】：隨著工業(yè)智能化的快速發(fā)展,高新技術(shù)設(shè)備對(duì)其材料的要求也在逐漸提高。柔性材料因其質(zhì)量低,阻尼小等優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,特別是在航空航天領(lǐng)域中,柔性材料的使用減少了能源消耗,提高了工作效率。但柔性材料在一定干擾下易產(chǎn)生強(qiáng)烈且持久的顫振,影響定位精度及使用壽命,所以對(duì)其振動(dòng)的控制至關(guān)重要。為解決柔性材料的振動(dòng)問(wèn)題,相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了大量的研究并取得了豐碩成果,但依然存在諸如機(jī)械臂剛?cè)狁詈险駝?dòng)特性分析不全面,接觸式測(cè)量影響結(jié)構(gòu)特性以及傳統(tǒng)PID振動(dòng)控制算法參數(shù)選取過(guò)程復(fù)雜等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題,本文選擇雙關(guān)節(jié)剛?cè)釞C(jī)械臂作為被控對(duì)象,探究了其剛?cè)狁詈舷碌恼駝?dòng)特性,并利用非接觸的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)及智能控制算法設(shè)計(jì)了振動(dòng)測(cè)量及主動(dòng)控制系統(tǒng),通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度及較好的控制效果,主要論文內(nèi)容如下:首先,為探究剛?cè)狁詈舷碌臋C(jī)械臂振動(dòng)特性,利用拉格朗日方程及假定模態(tài)法對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)建模,并考慮關(guān)節(jié)柔性修正模型。為驗(yàn)證模型準(zhǔn)確性并為后續(xù)控制奠定數(shù)值基礎(chǔ),設(shè)計(jì)了多變量的振動(dòng)測(cè)量正交試驗(yàn),并利用小波變換處理實(shí)驗(yàn)測(cè)量信號(hào),分析了電機(jī)細(xì)分、轉(zhuǎn)速等對(duì)剛?cè)釞C(jī)械臂振動(dòng)的影響關(guān)系,探究了剛?cè)狁詈舷碌恼駝?dòng)特性,并確定了需要后續(xù)控制的參數(shù)設(shè)置組別。其次,根據(jù)工業(yè)相機(jī)采集標(biāo)記點(diǎn)振動(dòng)圖像的測(cè)量方案,設(shè)計(jì)并搭建了基于機(jī)器視覺(jué)的柔性機(jī)械臂振動(dòng)測(cè)量裝置;針對(duì)標(biāo)記點(diǎn)振動(dòng)圖像特點(diǎn),根據(jù)閾值與目標(biāo)波峰之間的灰度分布信息,改進(jìn)了Otsu閾值分割算法,提高了分割準(zhǔn)確度;結(jié)合改進(jìn)算法,編寫(xiě)了基于LabVIEW平臺(tái)的圖像采集及處理程序;通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與壓電片測(cè)量結(jié)果及仿真結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性及測(cè)量準(zhǔn)確性。最后,闡述了PID控制及人工魚(yú)群尋優(yōu)原理,設(shè)計(jì)了基于人工魚(yú)群優(yōu)化的PID控制算法,將PID參數(shù)作為魚(yú)群狀態(tài),控制誤差作為算法適應(yīng)度,對(duì)控制器參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化,仿真驗(yàn)證了算法的可行性與優(yōu)越性;搭建柔性機(jī)械臂的主動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái),利用輸入為視覺(jué)測(cè)量位移的優(yōu)化控制器,輸出控制壓電作動(dòng)片抑制振動(dòng);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明此系統(tǒng)平均控制效果為53.90%,實(shí)現(xiàn)了有效的振動(dòng)抑制。圖[78]表[10]參[85]
【學(xué)位授予單位】：安徽理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：TP391.41;TP241;TH165
【圖文】：

1.1 課題來(lái)源本課題主要來(lái)源于 2017 安徽省博士后研究人員科研項(xiàng)目：兩關(guān)節(jié)壓電柔性機(jī)械臂非線性振動(dòng)主動(dòng)控制補(bǔ)償研究（項(xiàng)目編號(hào)：2017B172）。1.2 研究背景與意義在工業(yè)革新進(jìn)程之下，高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，在自動(dòng)裝配、精密加工、航天航空等諸多行業(yè)，諸如智能機(jī)械人的智能設(shè)備均發(fā)揮著重要作用[1]。隨著科技的發(fā)展，對(duì)其結(jié)構(gòu)的要求也愈發(fā)嚴(yán)格，工業(yè)機(jī)器人方面，為了減少機(jī)械臂的驅(qū)動(dòng)負(fù)載，節(jié)省控制成本，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)的重量在逐漸減少；航空航天方面，為了降低運(yùn)輸載重量，提高空間利用率，伸縮桿等類(lèi)機(jī)械臂結(jié)構(gòu)往往采用輕量化的柔性材料[2-4]。如圖 1.1 所示的嫦娥四號(hào)探測(cè)器及玉兔二號(hào)巡視器中，均大量使用柔性結(jié)構(gòu)。由于柔性材料質(zhì)量輕，剛度小的特點(diǎn)，柔性機(jī)械在能耗，靈活性等諸多方面具有很大的優(yōu)勢(shì)[5-6]。

立時(shí)考慮關(guān)節(jié)柔性十分必要。2.2 機(jī)械臂振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)2.2.1 機(jī)械臂實(shí)物搭建為驗(yàn)證建立模型的準(zhǔn)確性，并進(jìn)一步探究機(jī)械臂振動(dòng)特性，設(shè)計(jì)并搭建機(jī)械臂實(shí)物以供振動(dòng)測(cè)量和后續(xù)研究，機(jī)械臂由柔性臂桿、剛性臂桿、驅(qū)動(dòng)器件、關(guān)節(jié)以及固定底座構(gòu)成。根據(jù)上節(jié)仿真參數(shù)設(shè)定，選定 200mm×15mm×6mm 的碳鋼作為剛性臂桿，選定 300mm×15mm×1mm 的不銹鋼材料作為柔性臂桿，兩臂桿實(shí)物如圖 2.13，圖2.14 所示；考慮速度和設(shè)備成本，選擇步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器件，根據(jù)臂桿質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度，選擇輸出力矩為 2.3N·m 的 57 步進(jìn)電機(jī)，作為連接底座與剛性臂桿關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；選擇輸出力矩為 0.46N·m 的 42 步進(jìn)電機(jī)作為連接剛性臂桿與柔性臂桿關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并為其配備相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，控制器，硬件參數(shù)如表 2.1 所示。

選定 300mm×15mm×1mm 的不銹鋼材料作為柔性臂桿，兩臂桿實(shí)物如圖 2.13，圖2.14 所示；考慮速度和設(shè)備成本，選擇步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)器件，根據(jù)臂桿質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動(dòng)速度，選擇輸出力矩為 2.3N·m 的 57 步進(jìn)電機(jī)，作為連接底座與剛性臂桿關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)；選擇輸出力矩為 0.46N·m 的 42 步進(jìn)電機(jī)作為連接剛性臂桿與柔性臂桿關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，并為其配備相應(yīng)驅(qū)動(dòng)器，控制器，硬件參數(shù)如表 2.1 所示。圖 2.13 剛性臂桿實(shí)物 圖 2.14 柔性臂桿實(shí)物Fig2.13 Rigid arm material object Fig2.14 Flexible boom material object表 2.1 步進(jìn)電機(jī)具體參數(shù)Table2.1 Step motor specific parameters設(shè)備名 型號(hào) 保持轉(zhuǎn)矩 步距角 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 重量57 步進(jìn)電機(jī) J-5718HB3401 2.3N·m 1.8° 450g·cm21.04kg42 步進(jìn)電機(jī) J-4218HB2401 0.46N·m 1.8° 55g·cm20.28kg根據(jù)電機(jī)、臂桿等設(shè)備參數(shù)，各部件連接部分自行設(shè)計(jì)并加工，其中包括電

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2770890