基于譜方法的剛柔機械手模型降維與控制研究.pdf

1、隨著科技的發(fā)展,國防、工業(yè)等應用領域對裝備機構的靈活性、運行速度和運行精度等要求越來越高,輕質和柔性結構在工程中的應用越來越多;由此構成了柔性多體動力學系統(tǒng)或剛柔耦合動力學系統(tǒng),柔性機械臂是這類系統(tǒng)的典型代表之一。由于其在航空航天、機器人等許多國防工業(yè)領域有著強烈的工程應用背景,因此對其進行動力學建模、模型降維與軌跡控制的相關研究具有重要的理論意義和實際應用價值。
　　 在充分借鑒當前柔性多體系統(tǒng)的研究成果可知,采用空間離散方法

2、得到的柔性多體動力學模型的維數一般較高;為了得到便于系統(tǒng)動態(tài)分析與控制研究的較高精度的低維近似模型,提出了基于譜方法時空分離及Galerkin截斷理論的模型降維方法對柔性多體動力學模型進行降維。論文中設計并搭建了剛柔機械手實驗平臺,并以此為研究對象對其動力學建模、模型降維及軌跡控制等方面進行探索與實踐并開展相關實驗研究,具體研究工作總結如下:
　　 (1)根據研究對象及目的設計了剛柔機械手實驗平臺的整體方案,建立并確定了其三維立

3、體模型以及驅動方案;并對設計的機械手實驗臺的運動學、活動空間進行了研究分析。
　　 (2)以機械手實驗臺中的剛-柔雙連桿臂組成的剛柔耦合的無窮維分布參數系統(tǒng)作為研究對象,采用Lagrange方程法求得偏微分方程形式的系統(tǒng)動力學方程。采用基于譜方法時空分離及Galerkin截斷理論的模型降維方法對得到的連續(xù)無窮維的動力學方程進行降維,得到能較好地表示剛柔耦合系統(tǒng)變形等特征的低維高精度近似模型。然后對剛-柔雙連桿臂的剛柔耦合特性進行

4、了仿真分析。
　　 (3)針對剛-柔雙連桿臂模型的非最小相位特性、參數時變、強非線性等情況,通過輸出重定義方法消除系統(tǒng)末端輸出的非最小相位特性,然后采用輸入輸出線性化將動力學模型部分線性化,使之分成輸入輸出子系統(tǒng)和內動態(tài)子系統(tǒng)兩部分;輸入輸出子系統(tǒng)采用逆動態(tài)滑?？刂破?內動態(tài)子系統(tǒng)采用狀態(tài)反饋控制器進行鎮(zhèn)定。經過仿真研究,結果表明該控制策略具有良好的動態(tài)性能和魯棒性能。
　　 (4)在已搭建的剛柔機械手實驗平臺上進行了相