機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)分布參數(shù)建模與控制方法研究
本文關(guān)鍵詞：基于分布參數(shù)模型機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)控制方法研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
《吉林大學(xué)》 2011年
機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)分布參數(shù)建模與控制方法研究
唐志國
【摘要】：近年來機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、服務(wù)業(yè)及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著在對精確性和安全性要求極高的航空航天、汽車造船和印刷電路板等工業(yè)軍事領(lǐng)域中,人們經(jīng)常要對大型輕薄金屬板和細(xì)長柔性梁進(jìn)行加工或搬運(yùn),機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)引起了學(xué)者們的關(guān)注 在汽車工業(yè)中每輛汽車上包含幾百塊像車門、車身這樣可以彎曲的金屬板,為了把這些柔性金屬板裝配成工件,必須要設(shè)計(jì)一個復(fù)雜的夾具。汽車制造過程中允許的空間誤差不足一毫米,因此即便車體形狀發(fā)生一個極其微小的改變,相應(yīng)的夾具也要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。隨著人類對太空丌發(fā)的更加深入,大量的飛行器被陸續(xù)送入太空的軌道。隨著飛行器運(yùn)行時(shí)間的變長,失效的電池、故障的器件都需要進(jìn)行更換與維護(hù),宇航員在空間進(jìn)行這樣的作業(yè)是非常危險(xiǎn)的,因此應(yīng)該使用空間機(jī)器人去完成這項(xiàng)工作。由于裝載在它們身上的電池板體積龐大,又都是由柔性材料做成的,在對它們的操作過程中避免不了會產(chǎn)生振動。此外,在其它工業(yè)領(lǐng)域中有許多部件都是由柔性薄板經(jīng)鍛壓等加工而成的,利用機(jī)械臂完成這項(xiàng)工作可以使效率和安全性都得到很大提高。這些操作都涉及到機(jī)械臂操作柔性負(fù)載的問題,尤其對一些大型結(jié)構(gòu)負(fù)載或任務(wù)要求較精確的操作需要雙機(jī)械臂或多機(jī)械臂進(jìn)行協(xié)調(diào)操作。 從國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀來看,機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)的研究剛剛處于起步階段,對于模型建立、軌跡跟蹤與振動抑制等問題的研究在學(xué)術(shù)上還沒有形成比較完整的體系。與機(jī)械臂操作剛性負(fù)載不同,柔性負(fù)載在操作過程中會引起彈性振動,這會給機(jī)械臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性及機(jī)械臂對柔性負(fù)載的操控性等都帶來很多技術(shù)上的困難。由于柔性負(fù)載在操作過程中會產(chǎn)生變形和振動,系統(tǒng)模態(tài)存在不確定性,以及內(nèi)力會引起機(jī)械臂與柔性負(fù)載之間的相互作用等,都在不同程度上增加了系統(tǒng)動力學(xué)分析和建模的復(fù)雜性。柔性負(fù)載本身屬于分布參數(shù)系統(tǒng),同時(shí)它又具有隨機(jī)性,不能在柔性體上任意安裝傳感器,且其振動將對機(jī)械臂系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來一定的影響,因此給柔性負(fù)載系統(tǒng)的振動抑制問題帶來很大困難。另外,機(jī)械臂在操作柔性負(fù)載的過程中,其內(nèi)力也必須加以控制,否則這種操作對負(fù)載來說很可能是具有破壞性的,這使得機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)的控制問題更加復(fù)雜。 本文對機(jī)械臂協(xié)調(diào)操作柔性負(fù)載系統(tǒng)進(jìn)行了研究。以柔性梁負(fù)載為例,研究了基于分布參數(shù)法的系統(tǒng)動力學(xué)建模問題。針對系統(tǒng)有限元和分布參數(shù)兩個模型所表現(xiàn)出來的雙時(shí)間尺度特性,分別應(yīng)用奇異攝動理論對模型進(jìn)行了分解簡化。在系統(tǒng)存在不確定性時(shí),研究了系統(tǒng)軌跡跟蹤問題,并利用反演設(shè)計(jì)思想對控制方法進(jìn)行了改進(jìn)。而后又基于觀測器理論研究了系統(tǒng)的反饋控制問題,進(jìn)而抑制了系統(tǒng)的彈性振動。因?yàn)榉植紖?shù)系統(tǒng)模型由偏微分積分方程描述,系統(tǒng)呈現(xiàn)出無窮維特性,故應(yīng)用算子半群理論對其閉環(huán)漸近穩(wěn)定性進(jìn)行了證明,并通過理論推導(dǎo)給出了可供仿真研究的系統(tǒng)仿真模型。全文主要內(nèi)容包括： 論述了柔性多體動力學(xué)系統(tǒng)梁桿結(jié)構(gòu)約束條件的幾種假設(shè)形式,然后選用一端固定另一端自由的約束形式,針對兩個三連桿剛性機(jī)械臂操作一個柔性梁負(fù)載,推導(dǎo)了機(jī)械臂和柔性負(fù)載的運(yùn)動學(xué)。利用廣義哈密頓原理,在參考坐標(biāo)系下將機(jī)械臂和負(fù)載看成一個整體,求得動能、勢能和虛功,從而建立了協(xié)調(diào)系統(tǒng)的分布參數(shù)模型,并給出了系統(tǒng)模型的幾條性質(zhì)。通過分析分布參數(shù)偏微分方程解的性質(zhì),提出了一種簡化的分布參數(shù)仿真方法,并應(yīng)用到仿真研究中 通過深入分析協(xié)調(diào)系統(tǒng)動力學(xué)方程的特性可知,機(jī)械臂操作柔性負(fù)載是一個具有雙重時(shí)間尺度的復(fù)雜動力學(xué)系統(tǒng),應(yīng)用奇異攝動方法分別對有限元和分布參數(shù)系統(tǒng)模型進(jìn)行分解降階,得到了表征系統(tǒng)大范圍運(yùn)動的慢變子系統(tǒng)和表征系統(tǒng)彈性振動的快變子系統(tǒng),與有限元模型相比,分布參數(shù)模型快變子系統(tǒng)仍為偏微分方程描述，更貼近系統(tǒng)本質(zhì)。 當(dāng)機(jī)械臂和柔性負(fù)載存在參數(shù)不確定性,操作過程中有外部干擾時(shí),將二者合并成一個非線性函數(shù)形式,并按照不確定項(xiàng)是否有上界、上界是否已知兩個方面,針對有限元模型,設(shè)計(jì)了自適應(yīng)滑模慢變控制器和魯棒最優(yōu)快變控制器,來完成系統(tǒng)的軌跡跟蹤和振動抑制的問題。利用反演設(shè)計(jì)思想和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逼近非線性函數(shù)的性質(zhì),改進(jìn)了控制方法,在不確定性上界未知的情況下,提高了系統(tǒng)的魯棒性。并將此設(shè)計(jì)方法推廣至分布參數(shù)慢變子系統(tǒng)中。 分布參數(shù)快變子系統(tǒng)呈現(xiàn)分布參數(shù)無窮維特性,在歐氏空間中的常規(guī)控制方法不能很好地使用,因此研究了無窮維空間上的滑�？刂品椒�,有效地抑制了系統(tǒng)的彈性振動。通過將分布參數(shù)閉環(huán)發(fā)展方程化為抽象Cauchy問題,研究了主算子與其生成的C0半群的性質(zhì),證明了閉環(huán)方程解的漸近性,進(jìn)而證明了分布參數(shù)閉環(huán)子系統(tǒng)的漸近穩(wěn)定性。 基于機(jī)械臂末端執(zhí)行上加裝傳感器能夠測得柔性負(fù)載末端撓度的思想,利用該傳感器可以獲得柔性桿末端的信息,從而可以推導(dǎo)出整個負(fù)載振動狀態(tài),將反演設(shè)計(jì)思想應(yīng)用其中,研究了基于觀測器的振動反饋控制問題。并對系統(tǒng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與仿真實(shí)驗(yàn)。考慮到含有無窮維狀態(tài)的分布參數(shù)模型,設(shè)計(jì)有限維觀測器將會導(dǎo)致信息丟失和控制溢出,提出了一種無窮維狀態(tài)觀測器的設(shè)計(jì)思想,并通過分析主算子的特性,證明了系統(tǒng)和觀測器的可解性。 最后,對本文的工作進(jìn)行了總結(jié),結(jié)合本人在機(jī)械臂系統(tǒng)、柔性多體系統(tǒng)和分布參數(shù)系統(tǒng)等方面的研究心得,以及對數(shù)學(xué)、力學(xué)、控制理論的不斷深入學(xué)習(xí),對有待進(jìn)一步研究的問題進(jìn)行了展望。
【關(guān)鍵詞】：
【學(xué)位授予單位】：吉林大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2011
【分類號】：TP241
【目錄】：
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5 四海;;數(shù)碼化的思想——用腦操縱機(jī)器的夢想與現(xiàn)實(shí)[J];科學(xué)24小時(shí);2008年04期
6 劉中;;基于虛擬儀器的開放式機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)[J];電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào);2009年S2期
7 尚毅;;機(jī)械臂動力學(xué)模型的向量-矩陣推導(dǎo)方法[J];控制工程;1986年05期
8 徐世鈺;;Kane 方程在機(jī)械臂動力學(xué)中的應(yīng)用[J];西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào);1988年02期
9 ;立體掃描儀[J];個人電腦;1997年04期
10 周驥平,朱興龍,顏景平;機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)性分析[J];中國機(jī)械工程;2003年03期
中國重要會議論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條
1 陳瑞燕;梁輝;馮永;;用于深水水下設(shè)備下放安裝的多功能機(jī)械臂[A];第十三屆中國科協(xié)年會第13分會場-海洋工程裝備發(fā)展論壇論文集[C];2011年
2 陳建業(yè);劉士榮;史先鵬;;一類帶不確定性機(jī)械臂的動態(tài)面控制方法[A];第二十九屆中國控制會議論文集[C];2010年
3 劉鋮;田強(qiáng);胡海巖;;衛(wèi)星本體-柔性抓取機(jī)械臂-柔性太陽翼耦合系統(tǒng)動力學(xué)與控制研究[A];第七屆全國多體系統(tǒng)動力學(xué)暨第二屆全國航天動力學(xué)與控制學(xué)術(shù)會議會議論文集[C];2011年
4 劉迎春;余躍慶;;柔性機(jī)器人操作柔性負(fù)載的建模新方法[A];第十三屆全國機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2002年
5 趙鵬飛;胡立坤;;全局快速終端滑�？刂圃诹杂啥葯C(jī)械臂軌跡跟蹤中的應(yīng)用[A];中南六�。▍^(qū)）自動化學(xué)會第二十九屆學(xué)術(shù)年會論文集[C];2011年
6 黃志雄;何清華;鄒湘伏;柳波;;一種求取運(yùn)動學(xué)逆解的新算法[A];中國工程機(jī)械學(xué)會2003年年會論文集[C];2003年
7 叢爽;周海燕;;基于Internet-PC的機(jī)械臂網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的解決方案[A];第13屆中國系統(tǒng)仿真技術(shù)及其應(yīng)用學(xué)術(shù)年會論文集[C];2011年
8 田軍霞;趙京;張凱亮;;冗余度機(jī)器人鎖定故障關(guān)節(jié)后容錯空間的變化研究[A];人才、創(chuàng)新與老工業(yè)基地的振興——2004年中國機(jī)械工程學(xué)會年會論文集[C];2004年
9 張令波;孫富春;孫增圻;;基于云模型的柔性機(jī)械臂軌跡跟蹤與振動抑制控制[A];2005年中國智能自動化會議論文集[C];2005年
10 劉達(dá);王田苗;張浩;;一種用于輔助外科手術(shù)的機(jī)械臂設(shè)計(jì)[A];第十二屆全國機(jī)構(gòu)學(xué)學(xué)術(shù)研討會論文集[C];2000年
中國重要報(bào)紙全文數(shù)據(jù)庫 前10條
1 記者何德功;[N];人民日報(bào);2003年
2 張大偉 陳宏宇;[N];中國航天報(bào);2011年
3 記者 賈婧;[N];科技日報(bào);2011年
4 陳盈;[N];中國國防報(bào);2009年
5 翟軍;[N];北京日報(bào);2000年
6 ;[N];新華每日電訊;2008年
7 夏飛平 趙俊和;[N];中國國門時(shí)報(bào);2008年
8 葛秋芳;[N];新華每日電訊;2008年
9 張孟軍;[N];科技日報(bào);2005年
10 本報(bào)記者 李金金;[N];北京科技報(bào);2010年
中國博士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條
1 唐志國;機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)分布參數(shù)建模與控制方法研究[D];吉林大學(xué);2011年
2 張鵬;機(jī)械臂協(xié)調(diào)操作柔性負(fù)載系統(tǒng)動力學(xué)與控制[D];吉林大學(xué);2010年
3 劉姝陽;基于分布參數(shù)模型機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)控制方法研究[D];吉林大學(xué);2013年
4 王相兵;工程機(jī)械臂系統(tǒng)結(jié)構(gòu)動力學(xué)及特性研究[D];浙江大學(xué);2014年
5 趙志剛;空間站機(jī)械臂轉(zhuǎn)位控制與振動抑制研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年
6 熊根良;具有柔性關(guān)節(jié)的輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年
7 熊根良;具有柔性關(guān)節(jié)的輕型機(jī)械臂控制系統(tǒng)研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年
8 王琨;提高串聯(lián)機(jī)械臂運(yùn)動精度的關(guān)鍵技術(shù)研究[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2013年
9 王聞宇;伺服系統(tǒng)柔性連接負(fù)載控制方法研究[D];華中科技大學(xué);2012年
10 贠今天;未確知環(huán)境下剛-柔機(jī)械臂主動柔順控制理論與實(shí)驗(yàn)研究[D];天津大學(xué);2003年
中國碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫 前10條
1 劉木林;機(jī)械臂協(xié)調(diào)操作柔性負(fù)載系統(tǒng)反演自適應(yīng)控制方法[D];吉林大學(xué);2011年
2 徐靜;基于觀測器的機(jī)械臂協(xié)調(diào)操作柔性負(fù)載的自適應(yīng)滑�？刂芠D];吉林大學(xué);2012年
3 柴華;機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)的振動控制方法[D];吉林大學(xué);2011年
4 張亦樸;基于模糊控制的多功能抽液裝置的研制[D];華北電力大學(xué)（河北）;2004年
5 趙勝求;基于視覺的PUMA560機(jī)械臂控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2010年
6 袁利才;大慣性柔性負(fù)載對電液速度伺服系統(tǒng)特性影響的分析與研究[D];太原理工大學(xué);2004年
7 劉磊;機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)柔順控制方法研究[D];吉林大學(xué);2009年
8 韓曉霞;基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的剛性機(jī)械臂控制研究[D];太原理工大學(xué);2005年
9 馮蘭勝;基于機(jī)械臂的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)研究[D];西安電子科技大學(xué);2005年
10 張鵬;機(jī)械臂協(xié)調(diào)操作柔性負(fù)載系統(tǒng)建模與控制[D];吉林大學(xué);2007年
本文關(guān)鍵詞：基于分布參數(shù)模型機(jī)械臂操作柔性負(fù)載系統(tǒng)控制方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。
本文編號：113723
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