【摘要】：機(jī)械手臂是機(jī)器人的關(guān)鍵部件之一,也是一類非常實(shí)用的機(jī)器人系統(tǒng),因而得到了廣泛的關(guān)注與研究。在傳統(tǒng)領(lǐng)域中,機(jī)械手臂被用于機(jī)床加工與配備、電路印制、零器件組裝、危險(xiǎn)物品裝載與挪運(yùn)等工作當(dāng)中。另一方面,隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展與更迭,人類所感興趣的對象變得更加寬泛,特別是對于外空間資源的競爭變得更加激烈。但空間環(huán)境中所面臨的苛刻條件,一直是制約空間機(jī)械臂應(yīng)用發(fā)展的重要因素。目前使用最廣泛的機(jī)械臂依然是剛性手臂,對于剛性手臂而言,由于材料結(jié)構(gòu)不易發(fā)生形變,因此可以忽略手臂的彈性振動(dòng),且易于建立模型與進(jìn)行控制。但剛性手臂大的剛度與笨重的體型,往往不可避免地形成了能耗高、響應(yīng)速度慢、載重自重比低以及操作空間小等缺點(diǎn)。當(dāng)整個(gè)機(jī)器人技術(shù)都進(jìn)一步朝著高移速、重負(fù)載、輕材質(zhì)、低能耗的方向發(fā)展時(shí),剛性手臂的固有缺點(diǎn)將越來越制約其本身的應(yīng)用范圍,從而使得柔性手臂的發(fā)展變得越來越急切。然而柔性手臂在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢,也使得該類系統(tǒng)易受自身的結(jié)構(gòu)因素和工作環(huán)境的影響,在實(shí)際使用中往往容易形成較大的形變和不良振動(dòng),從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制精度,甚至是損害系統(tǒng)設(shè)備,使生產(chǎn)蒙受巨大的損失。如何有效實(shí)現(xiàn)對柔性手臂數(shù)學(xué)建模和系統(tǒng)振動(dòng)的抑制,將會(huì)是非常具有挑戰(zhàn)性和應(yīng)用價(jià)值的研究,這也將是柔性手臂進(jìn)入大范圍使用前亟待解決的兩類問題。在本文中,我們將從動(dòng)力學(xué)模型、控制策略設(shè)計(jì)、穩(wěn)定性分析、數(shù)字仿真和物理實(shí)驗(yàn)這幾個(gè)方面展開對柔性機(jī)械臂的研究。柔性機(jī)械臂的系統(tǒng)模型具有非線性以及時(shí)變的特點(diǎn),屬于典型的分布式參數(shù)系統(tǒng)。針對該類系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)模型,本文使用偏微分方程(PDE)結(jié)合常微分方程(ODEs)來組合表達(dá),以便更準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以李雅普諾夫直接法和反步法為基礎(chǔ),提出主動(dòng)的邊界控制策略以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對彈性振動(dòng)的抑制和角度位置的跟蹤。并通過李雅普諾夫直接法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性與狀態(tài)量的有界性,在數(shù)學(xué)層面推導(dǎo)并驗(yàn)證模型與控制器的合理性,然后以MATLAB仿真結(jié)合物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步對比論證控制策略的有效性。本文討論的核心內(nèi)容就是柔性機(jī)械臂的邊界控制方法,以及在Flexible Link實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn),即對給定位置角度的追蹤以及到達(dá)位置后抑制振動(dòng)的問題。通過理論仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的結(jié)合,更豐富地展現(xiàn)所設(shè)計(jì)的控制器的有效性與可行性。為了提高控制策略的實(shí)用性,我們又研究了反向間隙(Backlash)非線性特性環(huán)境下的控制問題。針對帶有反向間隙非線性輸入的情形,本文在邊界控制基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了更加優(yōu)化的控制策略。最后通過對比MATLAB數(shù)字仿真與實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,充分驗(yàn)證了邊界控制的可行性;而在考慮了反向間隙的情形下,通過對兩類控制策略仿真與實(shí)驗(yàn)的比較,直觀地展現(xiàn)了后者對控制效果的改善。
【圖文】：

工業(yè)剛性機(jī)械臂

(a) Spar 公司 canadarm-1 柔性機(jī)械臂 (b) Spar 公司 canadarm-2 柔性機(jī)械臂圖 1-2 加拿大研制的 canadarm 系列柔性機(jī)械臂另一方面，歐洲宇航局研制的長度超過 10m 的 ERA 柔性機(jī)械臂具有輔助宇航
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前6條

1 李曉光;劉金琨;;面向偏微分方程的連續(xù)反演控制算法綜述[J];控制理論與應(yīng)用;2012年07期

2 朱勝;孫明軒;何熊熊;;齒隙非線性輸入系統(tǒng)的迭代學(xué)習(xí)控制[J];自動(dòng)化學(xué)報(bào);2011年08期

3 牟薈瑾;;柔性機(jī)械臂控制技術(shù)的研究意義及現(xiàn)狀[J];現(xiàn)代經(jīng)濟(jì)信息;2008年08期

4 劉廣瑞;柔性機(jī)械臂振動(dòng)控制研究[J];機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新;2005年03期

5 A.Y.T. Leung;NONLINEAR DYNAMIC ANALYSIS OF FLEXIBLE MULTIBODY SYSTEM[J];Acta Mechanica Solida Sinica;2004年04期

6 王康寧,關(guān)肇直;彈性振動(dòng)的鎮(zhèn)定問題[J];中國科學(xué);1974年04期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 魏進(jìn);空間柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)建模和分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

2 寇偉;空間柔性機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

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本文編號：2551463