柔性机械臂的变结构振动控制研究

当机械臂的质量很轻,尤其是空间应用场合,机器人系统将受到高度柔性限制并且不可避免地产生机械振动.本文为了证实提出的控制不期望残余振动的方法,设计并建立了柔性机器人实验平台.控制方案采用交流伺服电机通过谐波齿轮减速器驱动柔性机械臂,利用粘贴在柔性臂上的压电陶瓷片(PZT)作为传感器来检测柔性臂的振动.对由于环境激励,尤其是在电机转动(机动)时由于电机力矩产生的振动,采用了几种主动振动控制器包括模态PD控制,软变结构控制(VSC)和增益选择变结构方法,进行柔性臂的振动主动控制实验研究.通过实验比较研究,结果表明采用的控制方法可以快速抑制柔性结构的振动,采用的控制方法是有效的.     

智能柔性机械臂的建模和振动主动控制研究

针对伺服电动机、谐波齿轮减速器、柔性臂及压电致动器组成的智能柔性机械臂系统,基于假设模态法和Hamilton原理建立系统动力学方程.为了实现系统较高精度的位置控制,同时快速抑制柔性臂的弹性振动,提出了对伺服电动机采用PD(proportional derivative)控制、对压电致动器采用模糊(fuzzy)控制的复合控制策略.在数值仿真分析的基础上,搭建了智能柔性机械臂系统测控平台.数值仿真和实验结果表明所提出的控制策略是可行的:PD控制算法控制伺服电动机以较高的位置精度完成了系统运动控制,模糊控制算法控制压电致动器较快地抑制了柔性臂的弹性振动.实验中柔性臂的振动衰减时间由6.5s缩短为3.5s,提高了柔性臂末端的定位控制精度,改善了系统的操作效率.     

基于压电陶瓷的柔性机械臂主动振动控制实验研究

柔性机构因其工作效率高,能量消耗低和结构简单等优点被广泛应用于机器人领域.但柔性机构由于刚度较低,易产生弹性振动,使机器人的定位精度和运动精度降低.为了验证在前期的工作中提出的柔性机械臂主动振动最优控制位置分析的正确性,搭建了一个基于Labview的测试系统.在柔性臂上不同位置粘贴压电片来实现对柔性臂不同位置的主动振动控制,通过测试系统得到最优控制位置处和最优控制位置附近的柔性机械臂振动的传感电压,根据控制前后传感电压的变化分析柔性臂抑制的强弱.根据实验结果显示,柔性臂在前三阶振动下,分别在其最优控制位置上获得最高的抑振率,从而验证了最优控制位置的有效性.     

柔性智能结构的振动主动控制仿真和实验研究

基于模态坐标表示的含压电片结构横向振动系统方程,采用独立模态法直接针对系统的高阶模型设计控制律,利用劳斯判据证明由所设计的控制器引起的控制溢出可被有效抑制,极大地降低了由于模型降阶引起的误差。同时,对压电柔性悬臂梁的高阶振动模态进行主动控制仿真模拟和实验研究,结果表明施加主动控制后柔性悬臂梁的模态阻尼显著提高,受控悬臂梁的振动得到了快速抑制。仿真计算和实验结果取得了良好的一致性。研究结果表明,利用压电陶瓷作为驱动元件,采用独立模态控制法实现柔性结构的振动抑制是一种高效的振动主动控制方法,在航天航空等领域中     

智能结构的压电片位置优化及主动控制研究

采用压电陶瓷作为作动器,对柔性结构的作动器位置进行了优化设计并对其进行了振动主动控制研究.首先分析了压电结构振动主动控制的原理和方法;采用基于作动器的模态影响矩阵对压电片进行了优化布置,使压电片配置在控制效能最优的位置.在存在噪声和干扰的情况下对智能结构进行控制,采用LQG/LTR和H∞方法对结构进行控制,并对二者的控制效果作了比较.结果显示在加入噪声和干扰后,进行适当的处理,采用LQG/LTR和H∞方法都能达到很好的控制效果,只是鲁棒性有差别.     

压电复合梁高阶有限元模型与主动振动控制研究

大型柔性空间结构的振动控制问题引起了广泛的关注.压电材料以其低质量、宽频带和适应性强等特点,非常适合于柔性空间结构的振动控制.本文针对上下表面粘贴有分布式压电传感器和作动器的智能层梁结构,提出了一种考虑压电材料对结构质量、刚度影响的高阶有限元模型.考虑到空间结构可能承受较大的热载荷,在模型中计及了压电材料的热电耦合效应.采用常增益负反馈控制方法、常增益速度负反馈控制方法、Lyapunov反馈控制方法和线性二次型调节器方法(LQR)设计主动控制器,实现了智能层梁结构脉冲激励下的振动主动控制.仿真结果表明,LQR方法更能有效的实现结构振动控制,并且具有更低的作动器峰值电压,但不能消除热载荷引起的结构静变形.     

基于FX-LMS算法的微振动主动隔振控制系统开发

控制系统是基于压电智能结构的各类微振动主动隔振系统的核心部分,而控制性能好、运算快速、实现方便的控制算法则是控制系统开发的关键.基于FIR数字滤波器,并应用FX-LMS自适应算法,对基于压电智能结构的各类微振动主动隔振系统的控制算法进行推导,并对其实现过程进行分析,以便于控制系统开发.在此基础上,利用该FX-LMS算法开发了某一维微振动主动隔振平台的自动控制系统,用于对该算法的控制效果进行实验测试和验证.实验结果表明,所推导的FX-LMS算法具有良好的控制效果,应用领域广阔.     

压电智能结构的主动控制及压电执行器布局优化

本文对压电梁、板结构振动主动控制进行了研究,分别建立了压电悬臂梁的耦合动力学方程以及Kirchhoff假设下矩形压电薄板的耦合动力学方程,通过采用独立模态空间控制法,实现了对压电智能结构前两阶模态的主动振动控制.为提高主动控制的抑振效果,通过仿真实例分析了压电执行器在梁上的不同布局对于主动控制抑振效果的影响,得到了压电执行器粘附于悬臂梁上的最佳布局.最后实验验证了压电悬臂梁在自由振动以及模态共振下压电执行器对于悬臂梁响应控制的可行性和有效性.     

主从式柔性机械臂计算机控制系统

本文详细分析了一个主从式柔性机械臂计算机控制系统的硬件组成、功能、及软件实现。该控制系统运行可靠，可以实现多种控制算法，用它作为柔性机械臂振动主动控制的实验装置是合适的。     

压电智能挠性悬臂板主动振动控制试验研究

航天器上太阳帆板这种悬臂外伸薄板结构的挠性附件，存在有扰动条件下引起的振动，可采用压电智能结构对悬臂板进行主动振动控制。文章对设计的挠性悬臂板系统进行系统辨识，得到板系统的前三阶模态频率及阻尼比，并采用PD控制和PPF控制算法对板的前三阶模态(包括弯曲模态和扭转模态)进行主动振动控制。试验结果表明，采用压电智能结构可以抑制挠性悬臂板的振动．效果明显。     

无杆气缸驱动的柔性机械臂振动控制

提出了一种无杆气缸驱动的柔性机械臂定位和振动抑制系统,采用脉冲码调制(pulse code modulation,PCM)方法实现.首先,推导了气动驱动柔性臂的系统模型,对采用的复合定位和振动抑制控制算法进行理论分析.其次,气缸行程长、气体具有压缩性以及气动驱动存在非线性和阀门开关有时延等因素会引起控制作用的滞后问题,容易激发高阶模态的极限环振荡,导致观测和控制溢出,这将影响控制系统的稳定性.为了克服上述问题,在控制算法中引入时延补偿、低通滤波法.最后,进行气动驱动柔性臂同时定位和振动抑制的试验研究.试验结果表明,采用的气动驱动控制方法可以有效地抑制柔性臂的低频模态振动,并同时实现定位.     

粘弹性阻尼材料在柔性机械手振动控制中应用的实验研究

本文对一实验用柔性机械手进行了粘弹性约束阻尼处理,以减少柔性振动,改善控制系统的稳定性,提高定位精度.文中给出了测量机械手柔性振动的实验方法,对约束阻尼处理前和处理后的机械手进行了柔性振动、残余振动、重复定位精度等实验研究,并做了比较.     

Dynamic modeling and vibration characteristics analysis of flexible-link and flexible-joint space manipulator

With the development of space technology, lighter and larger space manipulators will be born, of which flexible characteristics are more obvious. The manipulator vibration caused by the flexibility not only reduces the efficiency of the manipulator but also affects the accuracy of the operation. The flexibility of space manipulator mainly comes from structural flexibility of links and transmission flexibility of harmonic gear reducer in joints. The vibrations generated by these two kinds of flexibility are coupled and transformed mutually, making the dynamics characteristics of space manipulator system complicated. Therefore it is difficult to assess respective effects of these flexibilities on vibrations of the manipulator tip. And the characteristics of integrated vibration of manipulator tip with different link and joint stiffnesses are not very clear. In this paper, the dynamic equations of multi-link multi-DOF flexible manipulator are established. Then, vibration responses of the tip under different elastic modulus, damping and joint stiffness were studied, and vibration characteristics of the tip with both link and joint were also analyzed. Moreover, the effects of motion planning on the vibration of the tip were analyzed. Finally, the vibration characteristics of the manipulator with flexible joints and links are verified by a two-degree-of-freedom manipulator experimental system. Dynamics analysis results presented some useful rules for the path planning and control to suppress the vibration of the flexible space manipulator.     

Lookup table control method for vibration suppression of a flexible manipulator with optimization of the minimum settling time and energy consumption

Active vibration suppression of flexible manipulators is important in many engineering applications, such as robot manipulators and high‐speed flexible mechanisms. The demand for a short settling time and low energy consumption of vibration suppression requires consideration of optimal control. Under a wide range of operating conditions, however, the fixed optimal parameters determined for a control algorithm might not produce the best performance. Therefore, to enhance performance, this paper suggests a lookup table control method for a flexible manipulator. This method can tune itself to the optimal parameters on the basis of initial maximum responses to the controlled system. In this study, a multi‐objective genetic algorithm is used to search for optimal parameters with regard to positive position feedback to the control algorithm. In turn, with the optimal parameters, the multi‐objective functions of the settling time and energy consumption during the vibration control of a flexible manipulator can be minimized. The simulation and experimental results both indicate that the energy consumption can be reduced significantly if the settling time is slightly increased. Copyright © 2011 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society     

欠驱动柔性机器人的振动可控性分析

欠驱动柔性机器人的可控性分析是对其进行有效控制的关键问题. 本文以具有柔性杆的3DOF平面欠驱动机器人为例, 分两步分析系统的可控性. 首先,忽略杆件的弹性变形, 研究欠驱动刚性系统在不同驱动电机位置的状态可控性；然后, 考虑柔性因素, 研究欠驱动柔性系统的结构振动可控性. 结果表明振动可控性是随机器人关节位形和驱动电机位置而变化的, 并且欠驱动刚性机器人的状态可控性对相应的柔性系统的振动可控性有很重要的影响. 最后, 将上述研究方法扩展到具有一个被动关节的N自由度平面欠驱动柔性机器人.     

End‐Point Regulation and Vibration Suppression of a Flexible Robotic Manipulator

In this paper, end‐point regulation and vibration suppression are investigated for a flexible robotic manipulator subject to the external disturbances. The dynamics of the flexible robotic manipulator is represented by one partial differential equation (PDE) and five ordinary differential equations (ODEs). Based on the Lyapunov's direct method, boundary control is developed to drive the manipulator to the desired set‐point and simultaneously suppress the vibrations of the flexible manipulator. Considering the unknown spatiotemporally varying disturbance, uniform boundedness of the closed‐loop system is achieved. The control performance of the closed‐loop system is guaranteed by suitably choosing the design parameters. Simulations are provided to illustrate the effectiveness of the proposed control.     

柔性臂建模与控制方法研究

综述柔性臂建模与控制的主要理论与方法。其中,控制问题包括:位置控制、力控制和柔性振动控制。在考虑参数不确定性和外部扰动的情况下,给出了一种自适应控制方法。最后,指出了今后值得进一步研究的方向。     

基于PSO非均匀样条插值的混合结构柔性臂抑振轨迹规划

柔性臂广泛应用于核工业、建筑业、太空探索等领域,但由于自身刚度低、大挠度、低阻尼等特点,其末端易产生振动且难以在短时间内消除.对此,研究一种具有一个旋转关节和一个伸缩关节的混合结构柔性臂的抑振轨迹规划方法.通过对其结构分解和刚柔部分分解,建立动力学和运动学模型.为了提高算法效率,引入权重因子,构造映射函数,选取非均匀插值点,采用粒子群算法(PSO)优化插值点位置增量,利用3次样条插值拟合优化后的轨迹函数.最后,通过设计混合柔性臂的控制系统,验证所提出抑振轨迹规划方法的有效性.