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柔性机械臂的振动控制研究

李兴修  
【摘要】:随着航天事业的迅速发展和对太空探索的不断深入,空间技术和机器人技术得到了迅速发展,空间柔性机械臂由于其质量轻、速度快、精度高、耗能低和作业适应性强,在航天、航空和机器人领域中获得了广泛的应用。利用柔性机械臂完成一些太空作业任务具有重要的意义,已经成为空间技术研究领域内的一个重要研究方向。 在工程中,以柔性机械臂为代表的柔性多体系统或刚柔耦合系统的应用越来越多,这类系统的特征是既有大范围的刚体运动,又同时存在柔性构件的小变形弹性振动,这两种运动相互耦合和相互影响。由于柔性多体系统在航天、航空和机器人等许多高科技领域有着强烈的工程应用背景,因此研究其动力学建模方法及主动振动控制具有重要的理论意义和实际应用价值。柔性机械臂是柔性多体系统的典型代表之一,其结构简单,但包含着丰富的动力学特性,本文以单杆柔性机械臂为对象,研究其动力学特性及基于压电材料的主动振动控制问题,具体包括如下内容: 首先,分析了柔性机械臂的弹性变形问题,建立单杆柔性机械臂的动力学模型,得到其固有频率及振型,提出了面向柔性机械臂振动控制的模态截断方法。 然后,比较研究柔性机械臂的线性化模型和非线性化模型,证明在同样参数条件下,对于柔性机械臂动力学特性和振动控制的研究,非线性化模型更加精确。利用非线性化模型分析了柔性机械臂在考虑不同的模态阶数,不同的结构参数,不同的驱动力矩以及有无末端附加质量的情况下的振动变化规律,同时提出了抑制柔性机械臂振动的方法。 其次,本文采用压电材料对柔性机械臂进行振动控制,研究合理利用压电材料的逆压电效应特性,分析其抑制振动的原理,完成了针对柔性机械臂振动控制的最优粘贴位置分析。 最后,对带有PZT作动器的柔性机械臂的振动控制进行了研究。先分析了PZT作动器不施加控制,而仅由PD控制情况下的柔性机械臂的振动规律;重点研究了在PZT作动器控制作用下,并基于PD控制算法,获得柔性机械臂关节和末端位置的振动规律。比较两种情况,证明了PZT作动器可以有效地抑制柔性机械臂的振动。


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