关键词：关节柔性;;连杆柔性;;神经网络;;观测器;;奇异摄动
摘 要：随着科学技术的发展,对工业机械臂的要求也越来越高,但是常用的刚性机械臂自重较大,运动不够灵活,难以适应工业生产上的需求。相比之下运动更加灵活的柔性机械臂吸引了更多关注。相对于刚性机械臂,柔性臂具有驱动能耗低、载荷自重比大等特点。但是由于柔性的引入,使得动力学特性更为复杂,实现其高精度的跟踪控制更为困难。因此一直是机器人学中的热点问题。柔性机械臂的结构柔性主要存在两个方面,即关节柔性和连杆柔性两部分。因此本文首先分别进行柔性关节机械臂动力学建模研究和柔性连杆机械臂的动力学建模研究,并分别提出控制算法对其进行控制,最后综合考虑关节柔性和连杆柔性对机械臂的动力学特性的影响,提出相应的控制方法。通过计算机仿真和实物仿真,验证了所提算法的有效性。针对柔性关节机械臂的结构特点,采用电压控制法取代常用的力矩控制法,以关节处电机的电压作为整个柔性关节机械臂系统的控制输入,机械臂连杆的转角值作为系统输出,对柔性关节机械臂的轨迹进行跟踪。基于神经网络理论设计控制器,可在机械臂本体参数未知的情况下对机械臂进行控制。其次,针对柔性连杆机械臂的结构特点,以假设模态法描述臂杆的弹性振动,通过重定义系统输出解决了系统最小相位特性问题。基于非线性状态观测器和输入输出控制法设计控制器,成功实现了对柔性连杆机械臂的轨迹跟踪。通过遗传算法对控制增益进行优化,使增益随误差反馈自行调节,以获得更优的抑振效果。控制方法较为简单,机械臂系统响应迅速且运动平稳。然后,结合关节柔性和连杆柔性研究机械臂的控制问题,基于奇异摄动控制法将机械臂系统分解为快、慢变子系统,通过建立神经网络对慢变子系统进行逼近,设计线性二次型控制器控制快变子系统。仿真证明控制算法能够迅速跟踪理想轨迹。最后搭建平面二连杆机械臂实验平台,在PC机中建立控制系统并通过运动控制卡间接的控制机械臂运动。实验结果证明了控制方法的可行性。
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