柔性机械手臂

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1、山东大学硕士学位论文1．1柔性机器人概述第1章绪论所谓机器人，是一种可编程的、能执行某些操作作业或移动动作的自动控制机械【”。机器人技术是一种综合了计算机、控制论、机构学，信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，是当前研究十分活跃且应用日益广泛的领域。自从20世纪60年代初世界第一台机器人在美国问世以来，便表现出很强的生命力。近半个世纪来机器人技术发展非常迅速，工业机器人已在工业生产中得到了广泛的应用。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志【2】．在机器人应用领域迅速扩

2、大的同时，机器人的研究领域和研究方法也在不断更新。传统的机器人研究是在它的各部件为刚性件的基本假设下，以刚体动力学理论进行研究．然而，在实际中并不存在着真正意义上的刚性体，只是在一般情况下物体的变形很小，其主要运动为刚性运动，在这种情况下，它的弹性变形可以忽略不计，这些假设才能成立．但是，随着机器人系统向着高速、重载、高精度，机器人部件向着轻质的方向发展，这必然使得构件的弹性变形增大，造成了其与机器人运动平稳性、准确性的矛盾，从而突出了机器人各部件弹性变形的影响。此外，机器人应用中要求机器人手臂轻型

3、化(和其尺寸相比)的越来越多：航空应用、车载机器人、建筑方面的大型机械等等[31．这些机械手臂必须通过一些细小的(相对于其长度而言)交叉部件相连，这样造成柔性，导致机械振动，从而使对其端部位置的控制非常困难。因此，传统的刚性机器人的研究方法显然已经不适合于此种机器人的研究。为此，人们将机构动力学的一个分支——弹性动力学(KED)引入其中，产生了一种新兴的机器人：柔性机器人．柔性机器人的柔性分为两种：杆件柔性(1inkflexibility)和关节柔性(jointflexibility)。它们均为机器

4、人系统引入了额外的自由度，使得原来为有限自由度的刚性机器人变成了具有无限自由度的柔性机器人【4J．与刚性机械臂相比较，柔性机械臂具有结构轻、载重／自重比高等特性，因而具有较低的能耗、较大的操作空间和很高的效率，其响应快速而准确，有着很多潜在的优点，在工业、国防等应用领域中占有十分重要的地位。山东大学硕士学位论文1．2柔性臂动力学建模的研究现状对于大多数工业机器人，它们的数学模型是基于多刚体动力学，然而，由于柔性臂中包含有一些柔性单元(如柔性关节，柔性连杆等)，其在运行过程中会产生扭曲、弹性、剪切等变

5、形，传统的多刚体动力学的分析方法及控制技术已不能满足多柔体系统的动力学分析及控制的要求．从本质上来说，柔性臂必须用无穷维分布参数模型来描述，而实际上对分布参数系统的控制又往往只能基于有限维模型进行设计，这就存在一个模型复杂性与系统控制性能之间进行折衷考虑的问题．因此，如何建立恰当的、行之有效的动力学模型，并据此设计高性能控制器以有效地控制柔性臂的运动，是一个必须面对和解决的问题。柔性连杆机械臂的动力学建模的方法很多，经过近十多年的发展也比较成熟．一般说来，柔性连杆机械臂因为连杆柔性会在运动过程中产生

6、挠曲变形、轴向变形和剪切变形，因而从动力学角度看，每根柔性连杆都可视为一段1ImoShenko梁。考虑到手臂连杆的长度比其截面尺寸大得多，运行过程中所产生的轴向变形和剪切变形相对于挠曲变形而言非常小，因而在动力学建模过程中常常可忽略二者的影响，将每根柔性连杆简化为Euler-Bemoulli梁处理pJ。柔性连杆臂是典型的动力学系统，因而其建模首先应满足Lagrange方程．当手臂终端执行器运动受限时，为了考虑约束表面方程的影响，则须应用Hamilton原理，所得到的模型往往是一组高度非线性的积分一微

7、分方程，求解十分困难。可见在柔性臂建模上，关键是对分布柔性的有限维近似。在近似方法中，有当作分步参数系统来处理的Ritz法、Cralerkin法、假设模态法【6】、线性化法17垮，这些方法把相对密度、质量比较均匀的系统作为研究对象来处理。另一类是当作集中参数系统来处理的有限元、有限段法IS]等，不仅适用于密度、质量比较均匀的物体，对不均匀的物体也很有效．此外，还有利于建立控制方程的旋转代数法和奇异摄动法【9增。另一方面，还可以完全抛开经典分析力学的思想，利用人工神经网络或系统辨识的方法来模拟柔性臂的

8、运动特征，从而得到柔性机械臂的动力学模型．1．3适应于柔性机器人的控制器柔性机器人要求其控制器具有开放性结构，既要求控制器对其上层规划算法开放，又要求对其底层控制算法开放。然而，目前商品化的机器人系统均采用封山东大学硕士学位论文闭结构的专用控制器．这种专用系统很难(或不可能)集成外部硬件(包括传感器和软件)，又难以应用用户自己开发的控制算法．修改封闭系统的的代价是非常昂贵的，如果不进行重新设计，多数情况下技术上是不可能的。解决这个问题的根本办法是研究和使用开放结构的机