柔性机械臂动力学建模及控制研究

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摘要：本文将围绕柔性机械臂动力学建模与控制进行研究，注重柔性机械臂系统描述以及柔性机械臂数学模型的构建，旨在保证柔性机械臂系统的完整性，为后续研究工作奠定基础。

关键词：柔性机械臂；动力学建模；动力学控制

随着现代化科学信息技术的不断发展，柔性机械臂的功能越来越突出，详细的对柔性机械臂动力学中PID控制器、反馈线性化控制、奇异摄动法控制、变结构控制以及反演控制法进行研究，从而提升其应用水平。

1柔性机械臂动力学建模研究

1.1柔性机械臂系统描述。柔性机械臂系统主要包括柔性关节机械臂传动系统、柔性关节机械臂传感系统、柔性关节机械臂控制系统等几个方面。其中，柔性关节机械臂传动系统是机电系统的重要组成部分，是保证机电设备安全运行的关键，柔性关节机械臂传动系统包含的方面具有多样性，主要包括连杆结构、链传动等。柔性关节机械臂传感系统是提升系统品质的关键，其评价指标具有多样性，主要包括分辨率、温度范围、震动能力等，其中动态响应特征为关键的评价指标。柔性关节机械臂控制系统中的底层控制系统可以对数据进行整合处理，为了保证传输到驱动电机控制信号的准确性，要对数据的反馈程序进行优化，其中底层控制系统主要是可编程逻辑门阵列发挥作用。上层系统的数字处理器的处理数据信息的速度较快，可以准确的掌握柔性机械臂系统的具体位置，保证数据传输结果的精确性。1.2柔性机械臂数学模型。柔性机械臂动力学建模的前期需要建构柔性机械臂数学模型，根据柔性机械臂动力学方程的运算情况得出柔性机械臂系统的势能以及动能表达式，其中，影响柔性关节机械臂控制系统的因素具有多样性，主要包括重力势能以及弹性势能。假设有T个自由度的柔性机械臂，需要对2T个刚体的动能进行计算，其中2T中主要涉及T个电机转子动能以及T个刚性连杆的动能。在列动能方程式时要将连杆的位置矢量以及栏杆的惯量矩阵充分考虑在内，并根据电动机转子转动速率推算出V-1个连杆的相对速率。在柔性机械臂动力学建模的环节中，要对关节减速比设定为N=160、电机转子转动惯量、电机转子质量、电机减速前以及减速后的角度、连杆质量、连杆转动角度进行设定。

2柔性机械臂动力学控制分析

2.1PID控制器进行控制。PID控制器在实际的应用环节中操作简单方便并且实用性较强，主要应用在刚性机械臂中，PID控制器为了在柔性关节机械臂中充分发挥作用，要借助重力补偿的优势完善柔性关节的状态反馈结构，将状态变量进行优化，其中状态变量主要包括电动机转动角度以及时间求导，可以有效的对柔性关节机械臂进行轨迹控制，有利于保证柔性机械臂系统的安全运行。在应用PID控制器的环节中，需要将关节柔性以及柔性补偿等影响阴因素考虑在内，从而提升柔性机械臂系统的性能[1]。2.2反馈线性化控制。反馈线性化控制的应用已经得到了广泛的认可，反馈线性化控制主要是借助状态空间表达式的坐标变换，对其线性系统进行优化的过程，逐步形成新等效系统。其中，反馈线性化控制具有线性系统稳定的优势，可以有效的对柔性机械臂进行控制。在状态向量的变换环节中，要借助柔性机械臂动力学模型，对其进行控制。当反馈线性化等效发生变化时，要计算出位置对时间求导后的速度，并借助非线性观测器进行控制[2]。同时，由于反馈线性化控制的系统模型的准确性较低，在实际应用环节中，对使用效果的影响较大。2.3奇异摄动法控制。奇异摄动法控制应用速度较快，其中主要涉及边界层法。边界层法是对高阶系统进行分解，从而降低系统方程的阶数，提升慢变系统以及快变系统的相似度。在从高阶系统转变为低阶系统中，要结合慢变系统以及快变系统自身变化的实际情况设计出科学的控制对策。当奇异摄动法在柔性机械臂系统中应用时，要将连杆状态以及关节的弹力设定为慢变量、快变量。其中，奇异摄动法控制需要考虑的因素较少，但是控制器参数的准确性较低，在实际的应用环节中控制效果较差，对柔性机械臂的系统产生影响[3]。2.4变结构控制。变结构控制的稳定性较差，与系统的变化状态有关。在闭环系统结构的变换过程中，要借助切换函数的优势，将切换前与切换后的性能进行融合。其中滑模变结构是变结构控制的一种，在控制量切换的环节中保证系统处于正常运行的状态，一定程度上与切换函数有关。滑模变结构是可以准确的对控制对象的状态变量进行控制，状态轨迹会出现小幅度的运动。同时，滑动模态在运行的环节中不易受到外界因素的影响，有利于保证系统的安全运行。其中，变结构控制可以高效的对柔性机械臂系统进行控制，当柔性机械臂系统在运行时，变结构控制可以降低系统负载的变化，并在机器人中广泛应用[4]。

3结论

综上所述，做好柔性机械臂动力学建模与控制工作是保证柔性机械臂运行协调的关键，更新柔性机械臂建模的方法原理，注重对柔性机械臂运动轨迹的规划的研究，做好柔性连杆模型的选择工作，有利于提升柔性机械臂动力学建模效果。

参考文献：

[1]朱海杰.作大范围运动空间柔性机械臂动力学建模与控制的研究[D].南京：南京航空航天大学，2015.

[2]黄华.柔性关节机械臂的建模及控制研究[D].株洲：湖南工业大学，2014.

[3]张娟，舒亚锋，刘自强，等.智能柔性悬臂梁的动力学建模研究[J].应用力学学报，2015，32(1)：132-138+178-179.

[4]赵莹，石为人.一种空间机械臂末端接触力建模与算法研究[J].仪器仪表学报，2014，35(8)：1780-1788.

作者:张甜 单位:成都市农林科学院