欠驅(qū)動(dòng)平面柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)分析與控制研究.pdf

1、欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人、柔性機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域中的重要內(nèi)容和前沿課題。柔性機(jī)器人適應(yīng)了現(xiàn)代機(jī)械在輕質(zhì)和高速等方面的要求，近些年得到了快速發(fā)展。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人是指系統(tǒng)自由度多于驅(qū)動(dòng)裝置的一類(lèi)機(jī)器人，它在提高機(jī)器人靈活性、降低成本和能耗、增加結(jié)構(gòu)緊湊性等方面的性能為人們提供了新思路，引起了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，成為機(jī)器人研究的新熱點(diǎn)。然而，隨著人們對(duì)機(jī)器人在高精度、低成本等方面要求的不斷提高，同時(shí)擁有柔性和欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人兩方面特點(diǎn)的欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人，將成

2、為機(jī)器人領(lǐng)域的一個(gè)新方向，此項(xiàng)研究具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。目前，研究成果大都集中在欠驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)器人和全驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人兩個(gè)單獨(dú)領(lǐng)域，涉及欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人這一復(fù)雜問(wèn)題的研究還很少。本論文將在此方面進(jìn)行初步探索。 本文首次將欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人和柔性機(jī)器人兩個(gè)領(lǐng)域結(jié)合，對(duì)欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模、動(dòng)力學(xué)耦合特性分析、振動(dòng)可控性分析、位置控制、振動(dòng)抑制等方面問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。 首先，分別采用有限元方法和假設(shè)模態(tài)方法

3、，結(jié)合Lagrange方程首次建立了具有柔性桿的欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)空間和操作空間動(dòng)力學(xué)模型。討論了兩種方法模型的區(qū)別和適用范圍，分析了模型的求解復(fù)雜性和可能性，指出有效的控制策略是保證系統(tǒng)正常工作的途徑之一。系統(tǒng)模型的建立為本文的后續(xù)工作奠定了基礎(chǔ)。 其次，在有限元?jiǎng)恿W(xué)模型的基礎(chǔ)上，研究了系統(tǒng)中主、被動(dòng)關(guān)節(jié)的加速度和力矩動(dòng)力學(xué)耦合效應(yīng)，并針對(duì)欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人，創(chuàng)新提出了柔性桿彈性變量分別與主動(dòng)關(guān)節(jié)、被動(dòng)關(guān)節(jié)的動(dòng)力學(xué)耦合新指標(biāo)。仿

4、真結(jié)果表明，這些動(dòng)力學(xué)耦合指標(biāo)對(duì)欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、位形設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)器的安排及系統(tǒng)控制都具有重要意義。 再次，基于欠驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)器人的狀態(tài)可控性分析結(jié)果，首次分析了欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)械臂的振動(dòng)可控性：先不考慮柔性桿的彈性變形，研究欠驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械臂在各個(gè)驅(qū)動(dòng)器位置的狀態(tài)可控性；然后，計(jì)入柔性桿的影響，分析了欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人的振動(dòng)可控性。結(jié)果表明欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人的振動(dòng)可控性不但依賴(lài)于關(guān)節(jié)角位形，而且取決于驅(qū)動(dòng)器位置。最后將研究方法推廣

5、到具有一個(gè)被動(dòng)關(guān)節(jié)的N自由度欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人。 然后，首次提出了具有半自由和完全自由被動(dòng)關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)柔性機(jī)器人的位置控制策略。從理論和實(shí)驗(yàn)角度實(shí)現(xiàn)了一桿柔性2DOF欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂半自由被動(dòng)關(guān)節(jié)的位置跟蹤，說(shuō)明控制方法的可行性。而對(duì)兩桿柔性的半自由被動(dòng)關(guān)節(jié)2DOF欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂位置控制的仿真表明，柔性桿的彈性振動(dòng)是關(guān)節(jié)的無(wú)法準(zhǔn)確跟蹤，系統(tǒng)失穩(wěn)的根本原因。然后，針對(duì)完全自由被動(dòng)關(guān)節(jié)的欠驅(qū)動(dòng)剛性和欠驅(qū)動(dòng)柔性?xún)蓚€(gè)系統(tǒng)在動(dòng)力學(xué)特性的本質(zhì)區(qū)別，采

6、用兩個(gè)不同的控制方案，分若干階段創(chuàng)新地完成了2DOF欠驅(qū)動(dòng)剛性機(jī)械臂和一桿柔性2DOF欠驅(qū)動(dòng)機(jī)械臂的理論和實(shí)驗(yàn)研究，不但使被動(dòng)關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)了位置跟蹤，而且使欠驅(qū)動(dòng)剛性和柔性系統(tǒng)都完成了復(fù)雜的操作任務(wù)，說(shuō)明控制策略的有效性，并凸顯了兩種控制策略的不同。最后，針對(duì)非完整冗余度柔性機(jī)器人的特點(diǎn)，提出了關(guān)節(jié)空間和操作空間的最優(yōu)控制策略。分別在多主動(dòng)關(guān)節(jié)控制被動(dòng)關(guān)節(jié)的控制方法和直接以機(jī)器人末端為控制目標(biāo)的操作空間位置控制的基礎(chǔ)上，提出了力矩最優(yōu)控制方