针对柔性机械臂末端振动问题提出一种新型双边缆索加劲被动控制方式,建立双边缆索加劲柔性机械臂的动力学模型,并分析柔性机械臂末端振动固有频率以及振动幅度等振动特性。此外,为了控制柔性机械臂的关节定位精度以及提高其末端残余振动的抑制效果,基于双边缆索加劲柔性机械臂模型提出一种考虑缆索参数的边界控制策略,并通过Lyapunov方法证明该边界控制下柔性机械臂系统的稳定性。仿真结果表明考虑新型缆索加劲的被动控制方式能够有效提高柔性机械臂系统刚度,并降低柔性机械臂末端振动幅值,改善柔性机械臂末端振动情况;提出的边界控制策略能够大幅度提高柔性机械臂关节的定位精度,并减少柔性机械臂达到稳态的时间,提高柔性机械臂运行效率。

针对低刚度机构和连杆之间的耦合转矩引起的机械振动问题,提出了一种适用于谐波齿轮传动柔性双连杆机械臂的解耦定位控制方法。首先,构建了双连杆三惯量机械臂的物理模型。然后,对传统2自由度(2-DOF)控制框架中的性能恶化问题进行了分析。其次,将机械臂近似为线性双连杆双惯性系统并引入多输入多输出系统的解耦器来实现解耦,并构造了基于半闭环结构的2-DOF串联控制系统,以便补偿传动系统中的角传动误差。以两个典型多连杆运动为例,对所提解耦定位控制方法的有效性进行了验证。研究结果表明,相比于准全闭环控制和带角传动误差补偿的半闭环控制,所提解耦控制方法在位置和扭矩波形上均表现出了更好的振动抑制效果,获得了±0.1 mm的精度和0.1 s的稳定时间,有助于构建柔性双连杆机械臂的高性能定位系统。

柔性机械臂相较于刚性机械臂具有更强的环境交互性和适应性,运动学和动力学建模对于其特性研究非常重要,以此特点介绍一种气动并联柔性机械臂,以橡胶波纹管作为执行单元的气腔主体设计制造柔性机械臂模型。根据气动柔性臂空间动作特点,利用几何法建立运动学模型,得到柔性臂的等效几何参数、柔性臂末端中心坐标及各驱动气腔压力之间的映射关系,利用拉格朗日法建立动力学模型,得到柔性臂各执行器单元长度与输入气压之间的关系,实验测试柔性臂的空间运动性能,验证运动学及动力学模型的有效性,可应用于空间范围内物体的定位抓取。

针对双连杆柔性机械臂研究了一种高阶滑模轨迹跟踪控制方案。根据拉格朗日方程及能量守恒定律给出了柔性机械臂的动力学方程,并将动力学方程转化为三阶非线性系统模型,方便控制器的设计。在此基础上,利用高阶滑模理论设计了双连杆柔性机械臂轨迹跟踪控制方案,不仅能保证系统在有限时间内稳定,还能削弱传统滑模控制对系统造成的抖振。最后用仿真实验证明了该控制方法的有效性。

针对具有末端附加质量的柔性机械臂弹性振动问题,提出采用基于遗传算法的线性二次型控制方法对其进行抑振控制。首先分析了柔性机械臂的弹性变形问题,采用假设模态法描述弹性变形并基于Lagrange方程建立具有末端集中质量的柔性机械臂动力学模型。其次,推导出系统的控制模型,采用线性二次型最优控制对柔性机械臂系统进行抑振控制,并用遗传算法优化线性二次型性能指标函数中的加权矩阵。仿真实验结果表明,与传统的经验值相比,优化后的控制方法能有效衰减末端弹性振动,柔性机械臂系统端部定位速度更快,验证了该方法的可行性。

为了提高柔性机械臂控制精度,文章设计了区分快变子系统与慢变子系统的组合控制器。使用拉格朗日方程和假设模态法建立了动态方程,使用奇异摄动分解法将系统分为快变子系统与慢变子系统;提出了自适应滑膜变结构控制,设计慢变子系统控制器;使用极值原理求解了快变子系统最优控制问题,从而给出了快慢变子系统组合控制。通过仿真验证,相比于传统滑膜变组合控制,自适应组合控制器的调节时间短、跟踪过程无震荡,且自适应组合控制器输出平滑无抖振。