【摘要】：機械手臂是機器人的關(guān)鍵部件之一,也是一類非常實用的機器人系統(tǒng),因而得到了廣泛的關(guān)注與研究。在傳統(tǒng)領域中,機械手臂被用于機床加工與配備、電路印制、零器件組裝、危險物品裝載與挪運等工作當中。另一方面,隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展與更迭,人類所感興趣的對象變得更加寬泛,特別是對于外空間資源的競爭變得更加激烈。但空間環(huán)境中所面臨的苛刻條件,一直是制約空間機械臂應用發(fā)展的重要因素。目前使用最廣泛的機械臂依然是剛性手臂,對于剛性手臂而言,由于材料結(jié)構(gòu)不易發(fā)生形變,因此可以忽略手臂的彈性振動,且易于建立模型與進行控制。但剛性手臂大的剛度與笨重的體型,往往不可避免地形成了能耗高、響應速度慢、載重自重比低以及操作空間小等缺點。當整個機器人技術(shù)都進一步朝著高移速、重負載、輕材質(zhì)、低能耗的方向發(fā)展時,剛性手臂的固有缺點將越來越制約其本身的應用范圍,從而使得柔性手臂的發(fā)展變得越來越急切。然而柔性手臂在結(jié)構(gòu)上的優(yōu)勢,也使得該類系統(tǒng)易受自身的結(jié)構(gòu)因素和工作環(huán)境的影響,在實際使用中往往容易形成較大的形變和不良振動,從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制精度,甚至是損害系統(tǒng)設備,使生產(chǎn)蒙受巨大的損失。如何有效實現(xiàn)對柔性手臂數(shù)學建模和系統(tǒng)振動的抑制,將會是非常具有挑戰(zhàn)性和應用價值的研究,這也將是柔性手臂進入大范圍使用前亟待解決的兩類問題。在本文中,我們將從動力學模型、控制策略設計、穩(wěn)定性分析、數(shù)字仿真和物理實驗這幾個方面展開對柔性機械臂的研究。柔性機械臂的系統(tǒng)模型具有非線性以及時變的特點,屬于典型的分布式參數(shù)系統(tǒng)。針對該類系統(tǒng)的動力學模型,本文使用偏微分方程(PDE)結(jié)合常微分方程(ODEs)來組合表達,以便更準確地描述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。以李雅普諾夫直接法和反步法為基礎,提出主動的邊界控制策略以實現(xiàn)系統(tǒng)對彈性振動的抑制和角度位置的跟蹤。并通過李雅普諾夫直接法分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性與狀態(tài)量的有界性,在數(shù)學層面推導并驗證模型與控制器的合理性,然后以MATLAB仿真結(jié)合物理實驗進一步對比論證控制策略的有效性。本文討論的核心內(nèi)容就是柔性機械臂的邊界控制方法,以及在Flexible Link實驗平臺上的實現(xiàn),即對給定位置角度的追蹤以及到達位置后抑制振動的問題。通過理論仿真與實驗結(jié)果的結(jié)合,更豐富地展現(xiàn)所設計的控制器的有效性與可行性。為了提高控制策略的實用性,我們又研究了反向間隙(Backlash)非線性特性環(huán)境下的控制問題。針對帶有反向間隙非線性輸入的情形,本文在邊界控制基礎上設計了更加優(yōu)化的控制策略。最后通過對比MATLAB數(shù)字仿真與實驗的結(jié)果,充分驗證了邊界控制的可行性;而在考慮了反向間隙的情形下,通過對兩類控制策略仿真與實驗的比較,直觀地展現(xiàn)了后者對控制效果的改善。
【圖文】：

工業(yè)剛性機械臂

(a) Spar 公司 canadarm-1 柔性機械臂 (b) Spar 公司 canadarm-2 柔性機械臂圖 1-2 加拿大研制的 canadarm 系列柔性機械臂另一方面，歐洲宇航局研制的長度超過 10m 的 ERA 柔性機械臂具有輔助宇航
【學位授予單位】：電子科技大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP242

【參考文獻】

相關(guān)期刊論文 前6條

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相關(guān)碩士學位論文 前2條

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本文編號：2551463