（毕业论文）时滞柔性关节机械臂自适应位置力控制

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1、近年来，由于工业机械臂具有的一些良好特性，被广泛应用于各种工业环境中，在切削、焊接、装配以及空间探索等领域占据越来越重要的地位。机械臂关节采用谐波齿轮减速以及关节处存在的力矩传感器，往往使机械臂关节带有柔性特征，使其在运动过程屮不可避免的存在振动以及运动结束后存在残余振动问题，给机械臂的控制带来了很大挑战。在进行去毛刺、装配、雕刻等工业任务吋，不仅需要机械臂具有高精度的位置跟踪性能，还要控制其与环境之间的作用力。机械臂系统中存在的时滞往往会影响系统的性能。因此研究柔性关节机械僭的位置力混合控制以及系统时滞

2、问题具有重要的意义。本文以两连杆柔性关节机械臂为例，充分考虑到机械臂系统关节柔性、系统时滞以及位置和力同时跟踪问题，提出自适应位置/力跟踪控制方案，主要内容如下：利用拉格朗日法建立了机械臂连杆的数学模型。将机械臂关节柔性等效成线性弹簧,得出了柔性关节机械臂的数学模型。针对机械臂受环境约束而产牛的位置/力控制问题，通过坐标变换实现了模型降维，得出了降维的机械臂位置/力控制模型。深入分析机械臂关节齿轮间隙特性，将其描述成时间滞后，得岀具有时滞的机械臂系统模型。进而采用了“反冲类'‘模型描述其齿轮间隙，得出具有

3、滞环特性的机械臂系统模型。针对具有时间滞后的柔性关节机械臂，将整个系统模型分解为四个子系统级联的形式。采用了反步法的设计思想，逐步递推，设计系统控制器，对时间滞后进行补偿，并运用自适应控制技术补偿模型参数不确定性。通过Lyapunov稳定性分析，证明了所提出的控制器能够保证机械臂位置跟踪和力控制的稳定性。仿真结果表明机械臂克服了时间滞后、模型参数不确定性对系统的影响，能够准确地跟踪到了给定的位置和力信号。针对具有滞环特性的机械臂系统，深入研究了柔性关节机械臂滞环特性，并分析了它的极限环特性。从控制的角度出

4、发，通过将滞环简化，提出一种鲁棒控制策略进行处理，从而克服了系统滞环，得岀一种新的机械臂位置/力控制器。充分考虑机械臂连杆模型、电机模型以及关节刚度矩阵参数不确定性，采用自适应控制技术做岀补偿。这一控制策略保证了系统的稳定性和对信号的有效追踪。并且通过仿真实例证明了控制器的有效性。关键词：时滞；滞环；自适应控制；柔性关节；机械臂；位置/力控制AdaptiveMotion/ForceControlforRigid-LinkFlexible-JointManipulatorswithTimeDelayChen

5、Minfin(ControlScienceandEngineering)DirectedbyProfessorLiShurongAbstractRecently,duetotheirattractivefeatures,roboticmanipulatorsenjoygreatpopularityinavarietyofindustrialapplicationsandplayamoreandmoreimportantroleintheareasofgrinding,welding,assembling,

6、aswellasspaceexploration.Theflexibilityoftherobotjointincreasesduetotheharmonicdriveandtorquesensorintegratedintherobotjoint,whichmakesthecontroltasksofroboticsystembeachallengingissueandresultsininevitablevibrationsduringtherobotmotionandresidualvibratio

7、nsuponthestoppingofthemotion.Theflexibilityofthejointsshouldbetakenintoaccountinbothmodelingandcontrolifhighperformanceistobeachieved.Inmanyindustrialapplicationssuchasdeburring,assemblingandcarving,theconstraintforceduetothecontactwiththeconstraintsurfac

8、eshastobetakenintoconsideration.Timedelayconstitutesanimportantpartofthewholerobotsystemandmaycausedetrimentaleffectswhenneglectedinthedesignprocedure,especiallyinthecasesofhighspeedmovement.Therefore,theresearchoft