机械臂协调操作柔性负载系统反演自适应控制方

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近年来,随着我国经济与技术的发展,机器人已经在工业制造、海洋勘探、航空航天等诸多领域得到了广泛的应用,尤其功能各异的机械臂成为人们研究的重点。在造船、航天、汽车工业等方面,操作对象已不再局限于机械强度相对较高的刚性部件。机械臂机械手抱具应用于操作大型或是轻薄金属板,在操作过程中不可避免的要引起振动,对于精确度与安全性要求较高的领域,这些振动必须得到控制。据统计,在汽车工业中制造每辆汽车需要几百块像车门、车身这样可以弯曲的金属板,把这些柔性金属板装配起来,需要复杂的夹具,用焊接的方法把这些金属板嵌在一起。在汽车制造过程中允许的空间误差不到一毫米,一个很微小的形状改变也意味着要对夹具重新设计,修改一次夹具需耗时几年,所以采用通用性较好的机械臂来代替这些夹具十分必要。在航天领域,由于卫星的太阳能电池板大都是由柔性材料做成的,随着时间的变长这些飞行物会出现姿态上的变化,给运行带来致命的危害,需要机械手臂对这些柔性材料进行维护。无独有偶,印刷线路板是由许多薄片叠加组成的,用机械臂代替人去完成这些工作,可以使效率和安全性都得到很大提高。可见,机械臂操作柔性对象的研究有着极为重要的现实意义。

    机械臂可以使人从工作中解放出来,并且机械臂不易疲劳的连续工作,间接带来经济利益。从国内外的研究现状看来,机械臂协调操作柔性对象的研究刚刚处于起步阶段,对协调控制问题和振动抑制问题在学术上还没有形成完整的体系,仍有很多挑战性的研究内容亟待解决。机械臂协调操作柔性负载系统是复杂的分布参数控制系统,柔性负载在操作过程中会产生振动和变形,机械臂与柔性负载之间相互作用的内力,增加了系统建模、轨迹规划及振动抑制的复杂性。基于有限元法和拉格朗日方程,对机械臂协调操作柔性负载的运动学模型与动力学模型进行了详细推导。为了使系统有统一的坐标形式,基于物体坐标系对各个坐标进行了转化,建立协调系统的刚性动力学方程和振动方程。
通过奇异摄动方法将机械臂协调操作柔性负载系统分解,系统降阶为表征大范围刚性运动的慢变子系统和表征弹性振动的快变子系统,针对慢变子系统完成了系统轨迹跟踪性能,针对快变子系统抑制系统的弹性振动。假设在机械臂末端可以安装传感器,通过机械臂末端与负载接触点的部分信息和负载物理特性,推导出整个柔性负载的振动状态,针对快变子系统设计了基于观测器理论的反馈控制策略,以抑制系统的弹性振动。基于Lyapunov方程证明了系统的稳定性,通过仿真验证了所提出方法的有效性。本文天行金具主要对机械臂协调操作柔性负载系统做了一些基本的研究,由于机械臂协调操作柔性负载是带有分布参数的复杂控制系统,对系统进行控制时会遇到很多问题。本文主要解决了机械臂协调操作柔性负载系统的模型分解、轨迹跟踪及振动抑制的问题,然而机械臂协调操作柔性负载系统还有许多工作需要在以后的研究中继续完善。
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