2F2R宏微机械臂动力学耦合特性与控制方法研究

发布时间：2018-02-12 02:32

本文关键词： 2F2R宏微机械臂耦合动力学弹性振动运动控制　出处：《东北石油大学》2016年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：随着国民经济的发展和科学技术的进步,诸如特种石油装备、现代制造业、MEMS等许多领域都对机器人技术提出了更高要求,如重量轻以降低能耗,运行速度快以提高效率,定位精度高以适应特殊作业以及大的运动空间以适应特殊工作环境等。机械臂的轻量化会导致构件柔性加大,结构固有频率下降;机械臂运动的高速化导致惯性力、激振频率升高,弹性振动和运动误差增大。因此将机械臂假定为刚体的传统分析与设计方法存在很大的局限性,必须考虑机械臂弹性变形带来的不利影响才能获得更好的运动控制性能。柔性宏刚性微机械臂就是在这样一种背景下提出的结构方案,其追求的目标是既能实现大的运动空间,又能实现高精度的运动控制。目前来看,关于这类机械臂的研究,多数都基于这样一种假设,即微机械臂相对宏机械臂很小,两者的耦合问题几乎可以忽略不计。这种处理方式虽然简化了问题的分析,但却为实际宏微机械臂的设计和控制带来了困难。因为在很多应用中,微机械臂与宏机械臂并没有绝对大小之分,两者动力学耦合问题是无法回避的,目前这方面研究还很少,且不系统。基于此,本文以2F2R(2-Flexible-Macro and 2-Rigid-Micro manipulator)这种典型柔性宏刚性微机械臂为研究对象(文中将其简称为2F2R宏微机械臂),对其弹性振动机理、运动学与动力学模型、耦合动力学特性、弹性振动抑制与误差补偿等问题开展较为系统的研究与分析工作。由于柔性宏刚性微机械臂动力学方程表现出高度的耦合与非线性特点,直接利用其来研究这类系统的耦合振动机理是十分困难的。文中首先基于类比方法,采用质量、弹簧、阻尼等元件建立其简化模型,从其频率特性、能量传递、控制稳定性等三个方面对其弹性振动机理进行了详细分析和讨论。运动学建模方面,提出了宏微工作空间分解方法,由此可将宏微机械臂逆运动学问题进行解耦处理,从而极大简化了问题的分析,同时也可看到机械臂的弹性变形与系统的运动状态存在紧密关系,系统关节空间与操作空间的变换关系极为复杂。动力学建模方面,基于有限元法,采用Bernoulli-Euler梁单元来描述宏机械臂的弹性变形。在此基础上,采用拉格朗日第二方程,详细推导出2F2R柔性宏刚性微机械臂的动力学模型。该模型充分考虑了系统刚柔耦合问题,具有很好的通用性与扩展性,且表现出很强的耦合与非线性特征。系统耦合动力学特性分析方面,研究了2F2R柔性宏刚性微机械臂三种重要特性,分别是频率特性、运动误差特性、尺度效应特性。分析讨论了系统结构参量、截面参量、材质、集中质量分布、运动参量等因素对系统耦合动力学特性的影响及其变化规律,获得了许多新的有参考价值的认识。2F2R宏微机械臂弹性振动抑制与运动误差补偿方面,研究了三种运动控制问题。一是针对点到点运动过程中弹性振动尽量小的问题,采用凸轮曲线理论对多种机械臂关节角的运动规律进行了分析和对比;二是研究了如何利用微机械臂的快速调节作用来抑制柔性宏机械臂末端的残余振动;三是针对连续轨迹跟踪问题,研究如何通过微机械臂的快速运动来补偿柔性宏机械臂弹性变形产生的运动误差。最后,设计和研制了2F2R柔性宏刚性微机械臂系统实验平台,针对宏微机械臂运动控制问题开展了系列实验研究工作,并将实验结果与仿真结果进行了对比分析,验证了文中提出的一些理论与方法。
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【学位授予单位】：东北石油大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242

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