欠驅動平面柔性機械臂動力學分析與控制研究.pdf_第1頁
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文檔簡介

1、欠驅動機器人、柔性機器人是機器人研究領域中的重要內容和前沿課題。柔性機器人適應了現代機械在輕質和高速等方面的要求,近些年得到了快速發(fā)展。欠驅動機器人是指系統自由度多于驅動裝置的一類機器人,它在提高機器人靈活性、降低成本和能耗、增加結構緊湊性等方面的性能為人們提供了新思路,引起了學者們的廣泛關注,成為機器人研究的新熱點。然而,隨著人們對機器人在高精度、低成本等方面要求的不斷提高,同時擁有柔性和欠驅動機器人兩方面特點的欠驅動柔性機器人,將成

2、為機器人領域的一個新方向,此項研究具有重要的理論意義和應用價值。目前,研究成果大都集中在欠驅動剛性機器人和全驅動柔性機器人兩個單獨領域,涉及欠驅動柔性機器人這一復雜問題的研究還很少。本論文將在此方面進行初步探索。 本文首次將欠驅動機器人和柔性機器人兩個領域結合,對欠驅動柔性機器人系統的動力學建模、動力學耦合特性分析、振動可控性分析、位置控制、振動抑制等方面問題進行了系統深入的研究。 首先,分別采用有限元方法和假設模態(tài)方法

3、,結合Lagrange方程首次建立了具有柔性桿的欠驅動機器人關節(jié)空間和操作空間動力學模型。討論了兩種方法模型的區(qū)別和適用范圍,分析了模型的求解復雜性和可能性,指出有效的控制策略是保證系統正常工作的途徑之一。系統模型的建立為本文的后續(xù)工作奠定了基礎。 其次,在有限元動力學模型的基礎上,研究了系統中主、被動關節(jié)的加速度和力矩動力學耦合效應,并針對欠驅動柔性機器人,創(chuàng)新提出了柔性桿彈性變量分別與主動關節(jié)、被動關節(jié)的動力學耦合新指標。仿

4、真結果表明,這些動力學耦合指標對欠驅動柔性機器人的結構設計、位形設計、驅動器的安排及系統控制都具有重要意義。 再次,基于欠驅動剛性機器人的狀態(tài)可控性分析結果,首次分析了欠驅動柔性機械臂的振動可控性:先不考慮柔性桿的彈性變形,研究欠驅動剛性機械臂在各個驅動器位置的狀態(tài)可控性;然后,計入柔性桿的影響,分析了欠驅動柔性機器人的振動可控性。結果表明欠驅動柔性機器人的振動可控性不但依賴于關節(jié)角位形,而且取決于驅動器位置。最后將研究方法推廣

5、到具有一個被動關節(jié)的N自由度欠驅動柔性機器人。 然后,首次提出了具有半自由和完全自由被動關節(jié)欠驅動柔性機器人的位置控制策略。從理論和實驗角度實現了一桿柔性2DOF欠驅動機械臂半自由被動關節(jié)的位置跟蹤,說明控制方法的可行性。而對兩桿柔性的半自由被動關節(jié)2DOF欠驅動機械臂位置控制的仿真表明,柔性桿的彈性振動是關節(jié)的無法準確跟蹤,系統失穩(wěn)的根本原因。然后,針對完全自由被動關節(jié)的欠驅動剛性和欠驅動柔性兩個系統在動力學特性的本質區(qū)別,采

6、用兩個不同的控制方案,分若干階段創(chuàng)新地完成了2DOF欠驅動剛性機械臂和一桿柔性2DOF欠驅動機械臂的理論和實驗研究,不但使被動關節(jié)實現了位置跟蹤,而且使欠驅動剛性和柔性系統都完成了復雜的操作任務,說明控制策略的有效性,并凸顯了兩種控制策略的不同。最后,針對非完整冗余度柔性機器人的特點,提出了關節(jié)空間和操作空間的最優(yōu)控制策略。分別在多主動關節(jié)控制被動關節(jié)的控制方法和直接以機器人末端為控制目標的操作空間位置控制的基礎上,提出了力矩最優(yōu)控制方

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