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。

现有刚性机械手无法满足对易碎和软质物体的抓取,无法适应混流生产线。柔性抓手具有高自由度和自适应能力,故设计一种纤维增强型柔性指节,可组装制备柔性抓手。本文介绍了纤维增强型柔性指节的制备方法和工艺流程,制备了一套纤维增强型柔性指节实物。指节主体为硅胶材质,使用碳纤维布作为限制层,使用车胎帘线作为纤维增强层。使用自行搭建的测试环境和压力驱动控制器,对柔性指节的弯曲半径和接触推力进行测试,试验结果表明该柔性指节能够在50-90 kPa时产生明显的弯曲效果和较好的接触推力,满足抓取需求。具有良好的自适应性和可靠性,适合用于抓捕工作。

柔性连续型机器人,相比离散关节型机器人具有高适应性与安全性的特点。针对多种应用领域,介绍一种使用压缩气体驱动的柔性连续型机械手臂原型机,利用其执行器由柔软材料制造装配而成的特点,它在抓取过程中能更好的保护表面脆弱的物体。使用橡胶波纹管,设计、制造并装配为执行器、执行器组及机械手臂,搭建实验台,建立执行器的伸长量与其内部气压的理论模型并通过实验验证,进一步测试柔性机械手臂的形变及运动性能,实现柔性机械手臂在其运动空间内可按照既定顺序工位操作的功能。结果表明,执行器的伸长量与其内部气压的理论模型准确,基于橡胶波纹管的柔性机械手臂具有较大的弯曲角度与一定的负载能力,可应用于识别与定位或物体的抓取移动等领域。

为提高柔性机械臂的控制精度,提出一种基于滑模控制与最优控制相结合的组合控制方式。通过Lagrange法和假设模态法构建其动力学模型,进而运用奇异摄动理论对柔性臂进行解耦,获得慢变和快变子系统。对于慢变子系统,采用滑模控制实现轨迹跟踪,提出一种新型趋近律,该趋近律在幂次趋近律基础上加入变速趋近项,引入系统状态变量,动态调整趋近速率,同时增加指数项提高趋近速度,使用双曲正切函数替代符号函数以抑制抖振;对于快变子系统,采用最优控制进行振动抑制。MATLAB仿真结果表明,该组合控制方法相比于纯滑模控制,具有更好的动态性能和鲁棒性能。

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。

为了使柔性机械臂快速稳定到达目标位置且抑制其末端柔性形变,设计了基于分层结构的预测控制方法,分层结构采用对预测控制的方式,占据了控制的先机,而且针对机械臂的时变特性,采用滚动控制策略,增加了控制系统鲁棒性。给出了适用于一般机械臂的控制结构框架,建立了预测控制模型;设计了轨迹规划层,将最优轨迹规划问题转化为带约束的QP问题,其输出为最优轨迹;设计了跟踪控制层,此层精确跟踪上层规划出的最优轨迹;为了验证分层结构的有效性,设计了适用于柔性机械臂的分层结构,将此方法与IST方法进行比较,分层结构不仅快速稳定到达目标位置,而且抑制了机械臂在目标位置的柔性形变、控制过程中也没有出现力矩的较大波动。

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。

将液压柔性机械臂系统分为相互耦合的两个部分，即柔性机械臂和液压伺服驱动系统，并通过一个驱动Jacobian矩阵构建其耦合关系。将作用于机械臂上的力视为一虚拟输入，运用奇异摄动法将柔性机械臂的模型分解为快慢两个子系统，其中慢变子系统控制器完成对期望轨迹的跟踪，而快变子系统控制器抑制柔性臂的振动。在此基础上，采用反演控制设计方法，得到液压伺服阀的位移控制律，使液压油缸的实际输出力完全满足柔性臂所需要的驱动力。数字仿真的结果验证了设计控制器的正确性和有效性。

将柔性机械臂视为Euler-Bernoulli梁模型其动力学特性以假设模态法描述并充分考虑柔性臂与液压驱动系统(液压回路、液压缸和液压伺服阀)的动力耦合作用推导出液压柔性机械臂的动力学方程.在此基础上提出同时控制刚体运动及弹性振动的鲁棒控制器设计方法.数字仿真结果表明了控制器的镇定性和鲁棒性.