柔性驅(qū)動(dòng)拱架機(jī)器人的建模與控制.pdf

1、本文研究了由同步帶驅(qū)動(dòng)的兩軸拱架機(jī)器人的建模與控制問(wèn)題，該類(lèi)機(jī)器人提供了兩個(gè)相互垂直方向的運(yùn)動(dòng)，即沿梁運(yùn)動(dòng)的工作頭(x方向)和沿基座運(yùn)動(dòng)的梁(y方向)。兩運(yùn)動(dòng)軸由于工作頭在x軸的位置影響y軸的動(dòng)力學(xué)特性而相互耦合，這一耦合的產(chǎn)生是由于工作頭在梁上的位置決定了y軸的質(zhì)量分布，也即y軸運(yùn)動(dòng)的振動(dòng)特性。同步帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將電機(jī)扭矩轉(zhuǎn)換為兩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線性驅(qū)動(dòng)力，目的是使工作頭盡可能快地移動(dòng)到目標(biāo)位置并達(dá)到微米級(jí)的定位精度，但摩擦力的干擾、柔性梁和同

2、步帶驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及兩運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)之間的動(dòng)力學(xué)耦合給這一控制目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)增加了難度。目前，對(duì)同時(shí)具有驅(qū)動(dòng)柔性和結(jié)構(gòu)柔性的拱架機(jī)器人的研究還非常少。
　　 首先，建立了拱架機(jī)器人x方向的動(dòng)力學(xué)模型。為減小由同步帶驅(qū)動(dòng)的直線伺服定位系統(tǒng)的振動(dòng)，構(gòu)造了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，基于對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的頻域分析，將系統(tǒng)振動(dòng)分為低頻振動(dòng)和高頻振動(dòng)，這一區(qū)分對(duì)系統(tǒng)控制器的振動(dòng)抑制策略非常重要。采用低陷濾波器抑制系統(tǒng)的高頻振動(dòng)，時(shí)滯濾波方法規(guī)劃了合適的參考

3、輸入，并結(jié)合PID控制實(shí)現(xiàn)快速的點(diǎn)到點(diǎn)運(yùn)動(dòng)并保持較小的殘余振動(dòng)。作為一種離線規(guī)劃措施，此控制器設(shè)計(jì)方法不需改變系統(tǒng)的任何硬件設(shè)施，能直接、有效地應(yīng)用于現(xiàn)有的柔性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中。其次，對(duì)拱架機(jī)器人的y向動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了建模，模型考慮了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)柔性與驅(qū)動(dòng)柔性以及兩者之間的耦合作用。結(jié)構(gòu)柔性具體體現(xiàn)為三種類(lèi)型的振動(dòng)：柔性梁在剛性模態(tài)下的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，一端支撐于扭簧上的柔性梁的彎曲振動(dòng)和簡(jiǎn)化為一移動(dòng)振蕩子的貼裝頭的振動(dòng)。基于系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析，提出了原型

4、機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)改進(jìn)方法。
　　 另外，分別研究了當(dāng)工作頭靜止和移動(dòng)時(shí)，柔性梁的 輸出反饋控制器設(shè)計(jì)方法。當(dāng)工作頭在x方向固定時(shí)，應(yīng)用線性矩陣不等式處理方法，給出了系統(tǒng)的輸出反饋?zhàn)顑?yōu)控制器。當(dāng)工作頭沿柔性梁移動(dòng)時(shí)，拱架機(jī)器人的y向動(dòng)力學(xué)模型可作為一線性變參數(shù)系統(tǒng)處理。采用嚴(yán)格的等價(jià)變換將一類(lèi)通用的線性變參數(shù)系統(tǒng)描述模型變換為一簡(jiǎn)化模型，引入變 性能將控制器的設(shè)計(jì)問(wèn)題轉(zhuǎn)換為滿足線性矩陣不等式約束的參數(shù)矩陣的求解問(wèn)題，并給出了無(wú)需變參數(shù)

5、變化率反饋的變?cè)鲆嫒A輸出反饋 控制器設(shè)計(jì)方法。接著基于“ 性能覆蓋”的概念，給出了保 性能的插值方法。仿真結(jié)果表明：魯棒控制器具有較小的調(diào)節(jié)時(shí)間且有效抑制了系統(tǒng)的振動(dòng)和外部干擾，且本文提出的變?cè)鲆?控制器設(shè)計(jì)方法能有效降低控制系統(tǒng)的保守性。然后，針對(duì)普通變?cè)鲆?控制器設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜及權(quán)函數(shù)選擇困難等缺陷，采用回路成形方法設(shè)計(jì)線性變參數(shù)系統(tǒng)的 控制器，并將其應(yīng)用于拱架機(jī)器人上。為了得到線性變參數(shù)系統(tǒng)的連續(xù)控制器，通常對(duì)選定的變參數(shù)值設(shè)計(jì)線

6、性控制器后，需要在變參數(shù)集合內(nèi)對(duì)這些線性控制器進(jìn)行插值。本文給出了輸出反饋線性控制器進(jìn)行保穩(wěn)定性插補(bǔ)的充分條件，確保系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的變參數(shù)變化率的上界也可在計(jì)算出控制器插值后得出。由于此方法得出的控制器通常具有較高的階數(shù)，為方便工程應(yīng)用，對(duì)控制器進(jìn)行降階處理，采用變?cè)鲆鍼ID控制器逼近高階魯棒控制器，從而將最終的 控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為PID+濾波器的常見(jiàn)形式。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所提控制方法的有效性。
　　 最后，介紹了拱架機(jī)器人在RFID封