高速重載機械臂優(yōu)化設(shè)計與軌跡規(guī)劃及振動抑制方法研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域中,生產(chǎn)效率的不斷提高經(jīng)常需要機械臂附帶較重的負載,高速完成焊接、搬運、碼垛、裝配等生產(chǎn)任務(wù),使現(xiàn)代機械臂設(shè)計呈現(xiàn)出高速、重載,高動態(tài)性能的特點;而隨著人們資源、環(huán)境意識的增強,又期望機械臂具有相對較低的自重,消耗較少的能源。高速、重載和較輕自重的要求,使機械臂本體的柔性特征表現(xiàn)的越來越明顯,從而不可避免的帶來了振動加大、精度下降等問題;速度的增加,使機械臂關(guān)節(jié)間耦合特性表現(xiàn)的更加明顯,傳統(tǒng)的基于運動學(xué)的軌跡規(guī)劃已逐漸不

2、能滿足使用需求,必須設(shè)計基于動力學(xué)的軌跡規(guī)劃方法;大的加速度會對機械本體形成大的激勵,從而導(dǎo)致振動進一步加大;這些問題已成為現(xiàn)代高速重載機械臂研究領(lǐng)域的熱點和難點。本文結(jié)合國家“NC”科技重大專項和“863”計劃項目,從提高機械臂動態(tài)性能的目的出發(fā),針對新型高速重載機械臂設(shè)計中體現(xiàn)出的柔性特性,以及關(guān)節(jié)間強耦合帶來的末端速度受限等問題,對機械臂柔體動力學(xué)建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、高速運動下的軌跡規(guī)劃,以及殘余振動抑制等關(guān)鍵問題進行研究。

3、>　　針對高速重載機械臂柔性特征表現(xiàn)明顯的問題,提出了一種同時考慮連桿柔性和關(guān)節(jié)柔性的機械臂優(yōu)化設(shè)計方法。首先基于 Lagrangian方程建立了機械臂動力學(xué)模型,并采用 Timoshenko梁模型對柔性中空桿件進行了離散化,基于一階固有頻率最大準(zhǔn)則和自重/負載比最小準(zhǔn)則,對建立的柔性機械臂模型進行了優(yōu)化。采用NSGA-II(Fast Elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithms)算法對

4、該多目標(biāo)優(yōu)化問題進行了求解,并對優(yōu)化結(jié)果的有效性進行了仿真和實驗驗證。通過仿真對比分析了引入關(guān)節(jié)柔性和不考慮關(guān)節(jié)柔性對機械臂優(yōu)化設(shè)計的影響,結(jié)果表明:對于高速重載機械臂,同時考慮關(guān)節(jié)柔性和連桿柔性的優(yōu)化設(shè)計避免了優(yōu)化結(jié)果出現(xiàn)局部最優(yōu)的情況,保證了機械臂具有最優(yōu)的整體性能。
　　為提高機械臂關(guān)節(jié)建模精度,提出了一種同時考慮摩擦、遲滯和間隙特性的柔性關(guān)節(jié)建模方法。該方法將關(guān)節(jié)分為高速軸和低速軸兩部分,基于 GMS(generalize

5、d Maxwell-slip)方法構(gòu)建了減速器的摩擦模型,基于“多項式+微分方程”方法建立了遲滯模型,采用輸入-輸出軸速度差作為狀態(tài)變量,建立了間隙模型。在上述模型建立的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了同時考慮摩擦、遲滯和間隙特性的綜合模型。同時,研究了關(guān)節(jié)模型中各部分參數(shù)的辨識方法,并對所建立的關(guān)節(jié)模型在Matlab/Simulink中進行了仿真,結(jié)果表明:該模型體現(xiàn)出實際關(guān)節(jié)的各種非線性特性,為基于模型的控制方法奠定了基礎(chǔ)。
　　針對高速重載機

6、械臂中關(guān)節(jié)間耦合帶來的基于運動學(xué)的軌跡規(guī)劃方法規(guī)劃的軌跡速度受限的問題,提出了一種基于動力學(xué)的在線近似時間最優(yōu)平滑軌跡規(guī)劃新方法。采用參數(shù)形式來表示機械臂運動軌跡,且將關(guān)節(jié)力矩和速度限制轉(zhuǎn)換到該參數(shù)空間內(nèi)構(gòu)成偽速度限制曲線,偽速度曲線的構(gòu)造采用在限制曲線上選取特征點并利用三次多項式擬合的方法,這樣既避免了龍格現(xiàn)象又保證了關(guān)節(jié)加加速度的連續(xù)性。通過與傳統(tǒng)基于運動學(xué)的機械臂軌跡規(guī)劃方法比較,所提出的方法在滿足力矩限制的條件下,充分利用了關(guān)節(jié)

7、的最大速度,使得機械臂按照規(guī)劃的軌跡運動的時間近似最優(yōu),提高了機械臂末端的運動速度,并且保證了軌跡規(guī)劃的實時性。該方法在搭建的實驗平臺上進行了實驗驗證。
　　為解決高速重載機械臂柔性加大帶來的振動加劇問題,提出了一種時間最優(yōu)輸入整形振動抑制算法。首先,通過引入負脈沖整形器,將整形脈沖幅值作為優(yōu)化參數(shù),使整形器的設(shè)計具有全局最優(yōu)性,在此基礎(chǔ)上,采用 NSGA-II優(yōu)化算法,以敏感性最小和整形器延時最短為優(yōu)化目標(biāo),考慮殘余振動幅值和高

8、階模態(tài)激勵等約束條件,對整形器進行了優(yōu)化。其次,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對機械臂的振動模型進行模擬,提高了振動參數(shù)的估計精度,使估計的振動頻率誤差在1％±之內(nèi),估計的阻尼率誤差在3%±之內(nèi),從而減小了整形器對參數(shù)魯棒性的要求。最后,通過建立的 MATLAB-ADAMS聯(lián)合仿真模型及搭建的實驗平臺驗證了該算法的有效性。
　　為驗證論文所提出的建模、優(yōu)化設(shè)計、軌跡規(guī)劃及振動抑制算法的有效性,建立了3DOF高速重載機械臂實驗樣機,并在該樣機上進行了