柔性机械臂振动抑制的混合控制

组合柔性机械臂动力学特性与振动抑制性能的研究的开题报告一、研究背景柔性机械臂具有结构灵活、可冗余、质量轻等优点，在机器人领域中具有广泛应用前景。

然而，在实际应用过程中，柔性机械臂所带来的振动问题给控制系统带来了很大的挑战。

因此，研究柔性机械臂的动力学特性和振动抑制性能，对其优化设计和精确控制具有重要意义。

二、研究目的本文旨在：1. 深入探究柔性机械臂的动力学特性，分析和建立柔性机械臂的动力学模型。

2. 研究柔性机械臂的振动抑制性能，探究影响柔性机械臂振动的因素及其对振动抑制的影响。

3. 组合动力学与振动抑制分析，提出有效的柔性机械臂振动抑制方法并进行实验验证。

三、研究内容本文将围绕柔性机械臂的动力学特性和振动抑制性能展开研究工作，具体包括以下内容：1. 对柔性机械臂的动力学特性进行深入分析，在建立动力学模型的基础上模拟分析柔性机械臂的运动学和动力学特性。

2. 探究柔性机械臂振动的原因，包括结构刚度、质量分布等对柔性机械臂振动的影响，并对振动抑制技术进行综述。

3. 基于系统鲁棒控制的方法，提出柔性机械臂的振动抑制控制方法。

设计集中式控制器并验证其有效性。

4. 通过实验验证柔性机械臂的动力学特性和振动抑制性能，并与其他已有的方法进行比较，以评估所提出的方法的有效性和实用性。

四、研究意义本文研究的柔性机械臂动力学特性和振动抑制性能对提升柔性机械臂的精度和控制能力具有重要意义，具体有以下几点：1. 深入研究和掌握柔性机械臂的动力学特性和振动抑制技术，有助于优化柔性机械臂设计，提高其控制精度。

2. 所提出的柔性机械臂振动抑制控制方法，为柔性机械臂的实际应用提供了一种新的控制途径，具有重要的理论和实用价值。

3. 相关研究成果可以为机器人领域中的其他柔性结构的动力学分析和振动抑制技术提供有益借鉴和参考。

五、研究方法和技术路线本研究主要采用理论分析和实验验证相结合的方法，具体技术路线如下：1. 对柔性机械臂的动力学特性和振动抑制技术进行综述和分析，总结相关理论和方法。

柔性机械臂振动控制1引言随着人类科技水平的不断进步，机器人的应用越来越广泛。

新一代机器人正向着高速化、精密化和轻型化的方向飞速发展, 传统的将机器人视为刚体系统的分析与设计方法已显得愈加不适用。

近二十年,计及构件及关节弹性影响的柔性机器人动力学分析与振动控制问题已受到国内外学者的广泛关注[1]。

在工业、医疗、军事等领域内，它能够代替人类完成大量重复、机械的工作。

近些年，人类对外太空的探索不断深入，空间机器人因为具有较强的恶劣环境的适应能力，且完成任务的精确程度较高，正受到越来越多科研机构的关注和重视。

机械臂作为机器人的重要组成部分，其未来的发展趋势是高速、高精度和轻型化。

操作灵活、性能稳定的柔性机械臂，无论在航天领域还是在工业领域都具有很高的应用价值。

柔性机械臂系统的动力学特点是大范围刚体运动的同时，伴随着柔性臂杆的小幅弹性振动。

柔性臂杆的弹性振动将极大地影响机械臂末端的定位精度，甚至影响机器人系统的稳定性。

2研究背景及意义随着工业自动化程度的提高，工业机器人的应用范围也从传统的汽车制造领域推广到了机械加工业、电子电气业、食品工业、物流、医疗等领域，机器人的科，类包括了焊接机器人、喷涂机器人、洁净机器人和医疗机器人等。

瑞典ABB公司制造的“IRB5400-12”喷涂机器人(图1所示)，具有6个自由度，工作时关节轴的最大转速137o/S，末端定位精度0.15mm，其性能特点是喷涂精确、工作域大、负载能力强且运行可靠性高。

日本FANUC公司制造的“M-10iA”工业机器人(图2所示)，工作半径1420mm，重复精度士0.8mm，主要用途包括搬运、弧焊、机床上下料等。

图1 IRB“5400-12”喷漆机器人图2 “M-10iA”工业机器人日本松下公司和IRT研究院（(Information and Robotics Technology）联合研制的“KAR”洗碗机辅助机器人(图3所示)，臂杆上安装了18个传感器，手爪配备防滑材料，可以牢牢抓住碗碟，防止意外跌落[2]。

硕士学位论文柔性关节机械臂振动抑制控制策略的研究（学术型）RESEARCH ON THE CONTROL STRATEGY OF VIBRATION SUPPRESION FOR THEFLEXIBLE-JOINT MANIPULATOR(Academic)任义哈尔滨工业大学2013年7月国内图书分类号：TP241.3 学校代码：10213 国际图书分类号：621 密级：公开工学硕士学位论文柔性关节机械臂振动抑制控制策略的研究（学术型）硕士研究生：任义导师：金明河教授申请学位：工学硕士学科：机械电子工程所在单位：机电工程学院答辩日期：2013年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TP241.3U.D.C: 621Dissertation for the Master Degree in EngineeringRESEARCH ON THE CONTROL STRATEGY OF VIBRATION SUPPRESION FOR THEFLEXIBLE-JOINT MANIPULATOR(Academic)Candidate：Ren YiSupervisor：Prof.Jin MingheAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Mechatronics Engineering Affiliation：School of Mechatronics Engineering Date of Defence：July, 2013Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论摘要谐波减速器和力矩传感器等柔性元件因其独特性能而广泛应用在机器人关节系统中，以获取高减速比，对关节力矩的检测和实现关节的模块化。

阻尼可控的柔性臂建模及联合振动控制柔性臂在许多工业和机器人应用中扮演着重要的角色。

然而，由于柔性臂的物理特性，如弯曲、振动和变形，导致了其在高精度及高速度操作中的挑战。

为了克服这些问题，阻尼可控的柔性臂建模及联合振动控制成为了一个备受关注的研究领域。

一、柔性臂的建模1. 力学模型柔性臂的建模是分析和控制其振动行为的基础。

基于柔性臂的力学特性，可以使用波动方程进行建模。

由于柔性臂的振动受到其质量、刚度和阻尼等因素的影响，可以将波动方程表示为质量、刚度和阻尼项的组合。

2. 数学模型为了量化柔性臂的物理特性，可以使用数学模型来描述。

其中，最常用的方法是采用偏微分方程或有限元法。

这些数学模型可以帮助我们理解并预测柔性臂的振动行为。

二、阻尼可控的柔性臂振动控制策略1. 激励振动控制通过施加外部激励来控制柔性臂的振动行为。

激励可以是周期性的，也可以是非周期性的。

通过合理设计激励信号的频率和振幅，可以有效控制柔性臂的振动。

2. 主动振动控制采用主动控制器来实时监测和调整柔性臂的状态。

主动振动控制常采用反馈控制策略，通过传感器获取柔性臂的振动信息，并根据预设的控制算法实施有效的控制。

3. 辅助振动控制结合阻尼器等辅助装置来控制柔性臂的振动。

辅助振动控制可以通过改变柔性臂的耦合特性或改变其阻尼特性来实现。

三、联合振动控制策略为了进一步提高柔性臂的振动控制效果，联合振动控制策略被提出。

该策略将多种振动控制方式进行组合，以实现更好的振动抑制效果。

例如，可以将激励振动控制与主动振动控制结合，或将主动振动控制与辅助振动控制相结合，以达到更精确的振动控制。

四、实验验证及应用案例在实际应用中，阻尼可控的柔性臂建模及联合振动控制已经取得了一定的成果。

通过实验验证，研究者们对柔性臂的动力学行为和控制效果进行了定量评估。

同时，柔性臂在机器人、悬挂系统和风电叶片等领域得到了广泛应用。

结论阻尼可控的柔性臂建模及联合振动控制是一个有挑战性但非常重要的研究领域。

柔性关节机械臂轨迹跟踪与振动抑制方法研究柔性关节机械臂具有负载比高、质量轻、功耗低、构件设计紧凑等诸多优点,因此被广泛应用在国防军事、太空和海洋探索、医疗服务等众多领域。

但由于关节柔性存在,会在运动启动过程中和速度发生突变时引起机械臂的振动,增加机械臂的控制难度。

本文以选择顺应性装配机械臂(Selective Compliant Assembly Robot Arm,SCARA)的第一和第二连杆为控制对象,针对柔性SCARA型机械臂快速、精确的轨迹跟踪控制和连杆末端振动抑制的两个控制要求,进行了轨迹跟踪和振动抑制方法的研究。

首先,对机械臂的柔性关节进行分析与数学模型的建立,并在此基础上利用拉格朗日方程建立完整的柔性关节双连杆机械臂动力学模型,为下文控制方法的研究奠定基础。

其次,为达到SCARA型机械臂快速、精确轨迹跟踪的目的,对机械臂的控制器进行设计,采用前馈型二自由度
IP(Feedforward-Integral-Proportional,FF-I-P)控制器使机械臂能够较好地跟踪给定轨迹;针对机械臂存在的外部扰动和系统参数变化等不确定因素对机械臂跟踪控制性能的影响,在上述方法基础上采用参数自调整的模糊FF-I-P控制方法来改善,使机械臂控制系统具有更强的鲁棒性,并通过仿真验证控制器的有效性。

最后,由于柔性关节的存在使得机械臂在运动过程中连杆末端存在振动问题,对此采用物理参数状态观测器的方法,利用电机端控制输入和相关参数实现对连杆端参数的观测,并将扭转角速度反馈到电机控制输入中,以增加系统的阻尼,抑制柔性关节机械臂在运动过程中因外力干扰或关节柔性引起的振动现象。

以第二连杆为例,在Matlab中搭建观测器模型,通过仿真验证机械臂末端的振动抑制效果。