混合结构柔性机械臂的抑振控制研究

作     者：宋艳东 

作者单位：内蒙古科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：秦岭;胡海东

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080202[工学-机械电子工程] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：混合结构柔性机械臂 滑模变结构控制 Barrier Lyapunov函数 输出约束 振动 

摘      要：随着工业自动化水平的快速提升,柔性机械臂因具备重量小、臂展长、灵活性好、载重大、成本低等特点在各行业的需求量逐步增长。目前,柔性机械臂在航空航天、工程施工、紧急救援等方面都有着广泛的应用。因此,广大专家和学者针对柔性机械臂相关技术展开了大量研究。但当前大部分的研究成果主要聚焦于单连杆柔性机械臂或多连杆柔性机械臂,对于伸缩结构的柔性机械臂的研究较少,特别是同时包含旋转伸缩混合结构的柔性机械臂的研究更是少有涉及。然而,在实际应用中,兼具旋转伸缩关节的混合结构柔性机械臂较仅含旋转关节或仅含伸缩关节的柔性机械臂,有着活动范围更大、灵活程度更高等明显优势。因此,针对混合结构柔性机械臂的研究具有更重要的实用意义与价值。本文以由两节连杆嵌套而成,同时包含一个旋转关节与一个伸缩关节的混合结构柔性机械臂为研究对象,针对其建模与控制方法进行了研究。主要研究工作包括以下几部分:(1)针对混合结构柔性机械臂系统状态变量多且耦合程度高、不易求解的问题,采用一种将系统状态变量进行刚柔分解分别建模的方法,从而降低系统模型的复杂度。在建模过程中,根据混合结构柔性机械臂存在连杆嵌套的结构特点,将系统结构分为固定段、重叠段、延伸段建立坐标系,分别进行模型分析。对于刚性结构部分建模,采用刚体拉格朗日平衡方程法推导了动力学模型,对于柔性结构部分建模,将系统模型简化为Euler-Bernoulli梁模型进行分析,采用假设模态法描述梁的弹性形变,根据拉格朗日方程推导动力学方程。其中,柔性动力学方程是一个系数矩阵为刚性结构状态变量函数的线性时变系统,有效降低了系统控制难度。(2)针对混合结构柔性机械臂的轨迹跟踪控制问题,采用滑模变结构控制方法设计控制律,实现了对刚性结构部分模型的快速跟踪,并将刚性结构状态变量代入柔性结构部分模型中,求解即可得到柔性结构部分动力学方程中状态变量的运动轨迹。此外,针对跟踪过程中出现的抖振现象,通过饱和函数替换符号函数的方法,有效抑制了抖振,从而提升了控制性能。(3)针对轨迹跟踪过程中出现的柔性结构部分状态变量变大的问题,采用Barrier Lyapunov函数与反演结合的方法实现了输出约束,并使柔性结构部分模态变量的振动处在了合理的范围之内。本文针对同时包含一个旋转关节和一个伸缩关节的混合嵌套结构柔性机械臂进行了建模和控制方法的研究。采用刚柔分离的思想进行系统建模,分别建立了刚性结构部分和柔性结构部分动力学方程。通过设计滑模控制器对刚性结构轨迹进行跟踪控制,并对轨迹跟踪控制过程中柔性动力学方程的部分状态变量进行输出约束,通过仿真实验验证各状态变量都处在了合理的范围之内,从而说明所建模型的合理性。