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液压柔性臂的动力学及控制研究

李光  
【摘要】:轻质柔性机械臂同传统的刚性机械臂相比,具有运动灵活、低能耗及高负载/本体质量比的特点,在航空、航天及机器人领域得到了极大的应用。针对柔性机械臂进行有效和精确的建模以及对其进行有效的主动控制一直是国内外学者研究的重要课题,其中Newton-Euler和Lagrange法广泛地应用于柔性机械臂的动力学模型建立,滑模控制、自适应控制和智能控制等非线性控制的应用,也取得了大量的成果。但值得提出的是以上研究绝大部分都是以电动机驱动柔性机械臂为对象的,而对液压柔性机械臂所开展的工作,相对较少。本研究工作以液压柔性机械臂为重点,分析、建立这一高度非线性、强耦合和时变系统的动力学模型,利用最新非线性控制研究的理论成果,以电液伺服位置系统的控制研究为基础,提出了一种全新液压柔性机械臂的自适应鲁棒控制设计理论和方法,进行了系统控制的仿真和相关的实验研究。其主要研究工作内容是:分析柔性机械臂动力学特性,研究了假设模型法、有限元法和集中质量法等动力学建模方法;以反演控制设计为核心,针对电液伺服系统这一类同时存在不确定参数和不确定非线性模型的动力学系统,提出了自适应鲁棒控制设计方法,并进行了严格的理论推导和稳定性的证明,计算机的仿真分析验证了结论的正确性;单连杆柔性机械臂的运动学及动力学实验,表明了所提出的系统动力学模型及变结构滑模控制方法的正确性;在液压试验台 进行的液压柔性机械臂等效动力学模型一一具有柔性载荷电液位置 伺服系统的控制实验,验证了自适应鲁棒控制方法对其控制的可行 性;研究了多连杆液压柔性机械臂系统中,液压缸与柔性臂之间的祸 合作用问题,提出了“驱动Jacobian矩阵”(Drive Jacobian)的概 念,算例分析给出其具体计算方法。根据液压柔性机械臂的结构特点, 提出了二连杆液压柔性机械臂的有限元动力学模型及自适应鲁棒控 制策略,通过计算机数字仿真分析,获得了满意的结果,该动力学模 型的建立及控制方法可以扩展到相同结构的多连杆液压柔性机械臂; 运用前面所提出的动力学建模和控制设计方法,完成了全自动树枝修 剪机器人的设计。


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