發(fā)布時(shí)間：2018-02-12 02:32

  本文關(guān)鍵詞： 2F2R宏微機(jī)械臂 耦合動(dòng)力學(xué) 彈性振動(dòng) 運(yùn)動(dòng)控制　出處：《東北石油大學(xué)》2016年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,諸如特種石油裝備、現(xiàn)代制造業(yè)、MEMS等許多領(lǐng)域都對(duì)機(jī)器人技術(shù)提出了更高要求,如重量輕以降低能耗,運(yùn)行速度快以提高效率,定位精度高以適應(yīng)特殊作業(yè)以及大的運(yùn)動(dòng)空間以適應(yīng)特殊工作環(huán)境等。機(jī)械臂的輕量化會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件柔性加大,結(jié)構(gòu)固有頻率下降;機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)的高速化導(dǎo)致慣性力、激振頻率升高,彈性振動(dòng)和運(yùn)動(dòng)誤差增大。因此將機(jī)械臂假定為剛體的傳統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法存在很大的局限性,必須考慮機(jī)械臂彈性變形帶來(lái)的不利影響才能獲得更好的運(yùn)動(dòng)控制性能。柔性宏剛性微機(jī)械臂就是在這樣一種背景下提出的結(jié)構(gòu)方案,其追求的目標(biāo)是既能實(shí)現(xiàn)大的運(yùn)動(dòng)空間,又能實(shí)現(xiàn)高精度的運(yùn)動(dòng)控制。目前來(lái)看,關(guān)于這類機(jī)械臂的研究,多數(shù)都基于這樣一種假設(shè),即微機(jī)械臂相對(duì)宏機(jī)械臂很小,兩者的耦合問(wèn)題幾乎可以忽略不計(jì)。這種處理方式雖然簡(jiǎn)化了問(wèn)題的分析,但卻為實(shí)際宏微機(jī)械臂的設(shè)計(jì)和控制帶來(lái)了困難。因?yàn)樵诤芏鄳?yīng)用中,微機(jī)械臂與宏機(jī)械臂并沒(méi)有絕對(duì)大小之分,兩者動(dòng)力學(xué)耦合問(wèn)題是無(wú)法回避的,目前這方面研究還很少,且不系統(tǒng)�；诖�,本文以2F2R(2-Flexible-Macro and 2-Rigid-Micro manipulator)這種典型柔性宏剛性微機(jī)械臂為研究對(duì)象(文中將其簡(jiǎn)稱為2F2R宏微機(jī)械臂),對(duì)其彈性振動(dòng)機(jī)理、運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)模型、耦合動(dòng)力學(xué)特性、彈性振動(dòng)抑制與誤差補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題開(kāi)展較為系統(tǒng)的研究與分析工作。由于柔性宏剛性微機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程表現(xiàn)出高度的耦合與非線性特點(diǎn),直接利用其來(lái)研究這類系統(tǒng)的耦合振動(dòng)機(jī)理是十分困難的。文中首先基于類比方法,采用質(zhì)量、彈簧、阻尼等元件建立其簡(jiǎn)化模型,從其頻率特性、能量傳遞、控制穩(wěn)定性等三個(gè)方面對(duì)其彈性振動(dòng)機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析和討論。運(yùn)動(dòng)學(xué)建模方面,提出了宏微工作空間分解方法,由此可將宏微機(jī)械臂逆運(yùn)動(dòng)學(xué)問(wèn)題進(jìn)行解耦處理,從而極大簡(jiǎn)化了問(wèn)題的分析,同時(shí)也可看到機(jī)械臂的彈性變形與系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)存在緊密關(guān)系,系統(tǒng)關(guān)節(jié)空間與操作空間的變換關(guān)系極為復(fù)雜。動(dòng)力學(xué)建模方面,基于有限元法,采用Bernoulli-Euler梁?jiǎn)卧獊?lái)描述宏機(jī)械臂的彈性變形。在此基礎(chǔ)上,采用拉格朗日第二方程,詳細(xì)推導(dǎo)出2F2R柔性宏剛性微機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)模型。該模型充分考慮了系統(tǒng)剛?cè)狁詈蠁?wèn)題,具有很好的通用性與擴(kuò)展性,且表現(xiàn)出很強(qiáng)的耦合與非線性特征。系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)特性分析方面,研究了2F2R柔性宏剛性微機(jī)械臂三種重要特性,分別是頻率特性、運(yùn)動(dòng)誤差特性、尺度效應(yīng)特性。分析討論了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參量、截面參量、材質(zhì)、集中質(zhì)量分布、運(yùn)動(dòng)參量等因素對(duì)系統(tǒng)耦合動(dòng)力學(xué)特性的影響及其變化規(guī)律,獲得了許多新的有參考價(jià)值的認(rèn)識(shí)。2F2R宏微機(jī)械臂彈性振動(dòng)抑制與運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償方面,研究了三種運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題。一是針對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中彈性振動(dòng)盡量小的問(wèn)題,采用凸輪曲線理論對(duì)多種機(jī)械臂關(guān)節(jié)角的運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了分析和對(duì)比;二是研究了如何利用微機(jī)械臂的快速調(diào)節(jié)作用來(lái)抑制柔性宏機(jī)械臂末端的殘余振動(dòng);三是針對(duì)連續(xù)軌跡跟蹤問(wèn)題,研究如何通過(guò)微機(jī)械臂的快速運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償柔性宏機(jī)械臂彈性變形產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)誤差。最后,設(shè)計(jì)和研制了2F2R柔性宏剛性微機(jī)械臂系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),針對(duì)宏微機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)控制問(wèn)題開(kāi)展了系列實(shí)驗(yàn)研究工作,并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了文中提出的一些理論與方法。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：東北石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TP242

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本文編號(hào)：1504581