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未确知环境下刚-柔机械臂主动柔顺控制理论与实验研究

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【摘要】: 本文围绕未确知环境下刚-柔机械臂主动柔顺控制理论与实验研究这个专题,对计及环境特征的刚-柔机械臂系统从动力学建模、动力学特性分析、控制器设计与仿真以及实验进行了全面、系统的分析与研究,取得了一定的研究成果,具有重要的理论价值和实际意义。 本论文基于Kane方程建立了任意形状柔性体动力学模型,并且在此基础上将一般柔性体动力分析方法推广到一般柔性多体系统,且系统可以具有任意的拓扑结构。采用Huston的低序体阵列描述多体系统的拓扑结构,以此为基础进行系统的运动学分析,同时,依据Kane 方程建立了一般柔性多体系统的动力学方程。对计及环境特征的柔性多体系统,将环境特征作为外部约束引入柔性多体系统,并将环境特征简化为接触力约束,建立了带有接触力约束的一般柔性多体系统动力学方程。 对计及环境特征的刚-柔机械臂系统基于Kane方程建立了非线性动力学模型,将未确知环境约束简化为接触力约束引入非线性动力学方程。分析了柔性机械臂非线性动力学模型中的非线性项对系统模型精度的影响,并提出了对线性化模型进行补偿的方法来提高线性化模型的精度。分析了模态截断技术以及柔性机械臂几何物理参数变化对柔性机械臂动力学特性的影响。本文对在有控制条件下的柔性机械臂的关节特性进行了研究,得出了并置式和非并置式控制系统对柔性机械臂边界条件的不同的影响关系。 从控制角度讲,未确知环境下刚-柔机械臂主动柔顺运动主要包括三个阶段:快速定位运动、慢速趋近目标物体运动以及主动柔顺跟随运动。快速定位与慢速趋近阶段采用的是基于视觉反馈的位置控制系统,而主动柔顺跟随未确知环境阶段采用的是基于力反馈的力控制系统。针对三个不同的运动阶段,建立了包含交流伺服电机速度环的被控系统的完整的数学模型。 为了验证理论方法的正确性和有效性,本文进行了刚-柔机械臂主动柔顺控制的实验研究。刚-柔机械臂进行总体柔顺控制时,我们提出采用多传感融合的方式,采用基于视觉反馈的位置控制和基于应变反馈的力控制相结合的开关变结构控制策略,以实现快速定位?慢速趋近?接触物体?主动柔顺跟踪整个运动控制过程。在实现基于视觉反馈的位置控制时,采用了全视场和局部视场两 WP=4 种视觉反馈条件,并分别进行了分析比较。在对柔性机械臂进行主动柔顺跟随运动控制时,我们引入了在线预测误差补偿的方法,以提高柔性机械臂主动柔顺跟随运动的跟随精度。


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