基于弹性关节的二自由度机械臂建模与控制研究

作     者：刘杰 历飞雨 LIU Jie;LI Fei-yu

作者机构：山西工程科技职业大学山西晋中030619 中北大学仪器与电子学院山西太原030051 

出 版 物：《机电工程》 (Journal of Mechanical & Electrical Engineering)

年 卷 期：2022年第39卷第6期

页      面：846-853页

学科分类：080805[工学-电工理论与新技术] 0808[工学-电气工程] 080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0804[工学-仪器科学与技术] 0802[工学-机械工程] 0811[工学-控制科学与工程] 

基　　金：山西省重点研发计划资助项目(201603D321117) 山西省回国留学人员科研资助项目(2020-110) 

主　　题：机器人执行机构 双环位置控制算法 谐波传动 行星传动机构 模型参考自适应控制 模糊比例积分控制 

摘      要：针对传统弹性关节存在的问题,提出了一种新的弹性关节,并在此基础上设计了一款二自由度机械臂。首先,对基于优化后的弹性关节系统进行了数学模型分析,进而给出了可靠的控制方式;然后,以弹性关节为基础,提出了二自由度机械臂的机械结构设计和位置控制算法,并给出了机械臂样机,采用双回路控制方案设计了机械臂的控制算法;其中,内环采用模型参考自适应控制器(MRAC)来处理系统参数的不确定性,外环采用模糊比例积分控制器(FPIC)来减小外部扰动对负载的影响;最后,为了验证该控制算法对弹性关节以及机械臂的适用性,利用MATLAB对二自由度机械臂系统进行计算仿真实验。研究结果表明:所提出的控制器概念具有响应速度快、误差小的优点,且当存在外部干扰时,FPIC-MRAC控制器的响应明显优于PID控制器,控制器能够很好地保持机械臂系统的稳定;该结果验证了此控制算法的有效性。