機(jī)械臂柔性機(jī)械臂

機(jī)械臂研究背景

近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用高速度、高精度、高負(fù)載自重比的機(jī)器人結(jié)構(gòu)受到工業(yè)和航空航天領(lǐng)域的關(guān)注。由于運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)和連桿的柔性效應(yīng)的增加，使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形從而使任務(wù)執(zhí)行的精度降低。所以，機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性特征必須予以考慮，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂高精度有效控制也必須考慮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。柔性機(jī)械臂是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程具有非線性、強(qiáng)耦合、實(shí)變等特點(diǎn)。而進(jìn)行柔性臂動(dòng)力學(xué)問題的研究，其模型的建立是極其重要的。柔性機(jī)械臂不僅是一個(gè)剛?cè)狁詈系姆蔷€性系統(tǒng)，而且也是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與控制特性相互耦合即機(jī)電耦合的非線性系統(tǒng)。動(dòng)力學(xué)建模的目的是為控制系統(tǒng)描述及控制器設(shè)計(jì)提供依據(jù)。一般控制系統(tǒng)的描述（包括時(shí)域的狀態(tài)空間描述和頻域的傳遞函數(shù)描述）與傳感器/執(zhí)行器的定位，從執(zhí)行器到傳感器的信息傳遞以及機(jī)械臂的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。

機(jī)械臂建模理論

柔性機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler方程這兩個(gè)最具代表性的方程。另外比較常用的還有變分原理，虛位移原理以及Kane方程的方法。 而柔性體變形的描述是柔性機(jī)械臂系統(tǒng)建模與控制的基礎(chǔ)。因此因首先選擇一定的方式描述柔性體的變形，同時(shí)變形的描述與系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程的求解關(guān)系密切。

柔性體變形的描述主要有以下幾種：

1）有限元法；

2）有限段法；

3）模態(tài)綜合法；

4）集中質(zhì)量法。

機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)方程的建立

無論是連續(xù)或離散的動(dòng)力學(xué)模型，其建模方法主要基于兩類基本方法：矢量力學(xué)法和分析力學(xué)法。應(yīng)用較廣泛同時(shí)也是比較成熟的是Newton-Euler公式、Lagrange方程、變分原理、虛位移原理和Kane方程。

機(jī)械臂控制策略

對(duì)柔性機(jī)械臂的控制一般有如下方式：

1）剛性化處理。完全忽略結(jié)構(gòu)的彈性變形對(duì)結(jié)構(gòu)剛體運(yùn)動(dòng)的影響。例如為了避免過大的彈性變形破壞柔性機(jī)械臂的穩(wěn)定性和末端定位精度，NASA的遙控太空手運(yùn)動(dòng)的最大角速度為0.5deg/s。

2）前饋補(bǔ)償法。將機(jī)械臂柔性變形形成的機(jī)械振動(dòng)看成是對(duì)剛性運(yùn)動(dòng)的確定性干擾而采用前饋補(bǔ)償?shù)霓k法來抵消這種干擾。德國的Bernd Gebler研究了具有彈性桿和彈性關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人的前饋控制。張鐵民研究了基于利用增加零點(diǎn)來消除系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)和系統(tǒng)不穩(wěn)定的方法，設(shè)計(jì)了具有時(shí)間延時(shí)的前饋控制器，和PID控制器比較起來，可以更加明顯的消除系統(tǒng)的殘余振動(dòng)。Seering Warren P.等學(xué)者對(duì)前饋補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。

3）加速度反饋控制。Khorrami FarShad和Jain Sandeep研究了利用末端加速度反饋控制柔性機(jī)械臂的末端軌跡控制問題。

4）被動(dòng)阻尼控制。為降低柔性體相對(duì)彈性變形的影響 選用各種耗能或儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)臂的結(jié)構(gòu)以控制振動(dòng)。或者在柔性梁上采用阻尼減振器、阻尼材料、復(fù)合型阻尼金屬板、阻尼合金或用粘彈性大阻尼材料形成附加阻尼結(jié)構(gòu)均屬于被動(dòng)阻尼控制。近年來，粘彈性大阻尼材料用于柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制已引起高度重視。Rossi Mauro和Wang David研究了柔性機(jī)器人的被動(dòng)控制問題。

5）力反饋控制法。柔性機(jī)械臂振動(dòng)的力反饋控制實(shí)際上是基于逆動(dòng)力學(xué)分析的控制方法，即根據(jù)逆動(dòng)力學(xué)分析，通過臂末端的給定運(yùn)動(dòng)求得施加于驅(qū)動(dòng)端的力矩，并通過運(yùn)動(dòng)或力檢測(cè)對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行反饋補(bǔ)償。

6）自適應(yīng)控制。采用組合自適應(yīng)控制，將系統(tǒng)劃分成關(guān)節(jié)子系統(tǒng)和柔性子系統(tǒng)。利用參數(shù)線性化的方法設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制規(guī)則來辨識(shí)柔性機(jī)械臂的不確定性參數(shù)。對(duì)具有非線性和參數(shù)不確定性的柔性機(jī)械臂進(jìn)行了跟蹤控制器的設(shè)計(jì)。控制器的設(shè)計(jì)是依據(jù)Lyapunov方法的魯棒和自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換將系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)。用自適應(yīng)控制和魯棒控制分別對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。

7）PID控制。PID控制器作為最受歡迎和最廣泛應(yīng)用的控制器，由于其簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用，被普遍地用于剛性機(jī)械臂控制，常通過調(diào)整控制器增益構(gòu)成自校正PID控制器或與其它控制方法結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)以改善PID控制器性能。

8）變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一種不連續(xù)的反饋控制系統(tǒng)，其中滑?？刂剖亲钇毡榈淖兘Y(jié)構(gòu)控制。其特點(diǎn)：在切換面上，具有所謂的滑動(dòng)方式，在滑動(dòng)方式中系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)保持不敏感，同時(shí)，它的軌跡位于切換面上，滑動(dòng)現(xiàn)象并不依賴于系統(tǒng)參數(shù)，具有穩(wěn)定的性質(zhì)。變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)，不需要機(jī)械臂精確的動(dòng)態(tài)模型，模型參數(shù)的邊界就足以構(gòu)造一個(gè)控制器。

9）模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。是一種語言控制器，可反映人在進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的思維特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)之一是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不需要通常意義上的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是需要操作者或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)、操作數(shù)據(jù)等。

機(jī)械臂研究意義

與剛性機(jī)械臂相比較，柔性機(jī)械臂具有結(jié)構(gòu)輕、載重/自重比高等特性，因而具有較低的能耗、較大的操作空間和很高的效率，其響應(yīng)快速而準(zhǔn)確，有著很多潛在的優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)、國防等應(yīng)用領(lǐng)域中占有十分重要的地位。隨著宇航業(yè)及機(jī)器人業(yè)的飛速發(fā)展，越來越多地采用由若干個(gè)柔性構(gòu)件組成的多柔體系統(tǒng)。傳統(tǒng)的多剛體動(dòng)力學(xué)的分析方法及控制方法已不能滿足多柔體系統(tǒng)的動(dòng)力分析及控制的要求。柔性機(jī)械臂作為最簡(jiǎn)單的非平凡多柔體系統(tǒng)，被廣泛地用作多柔體系統(tǒng)的研究模型。

不確定性主要分為兩種主要類型：結(jié)構(gòu)（structured）不確定性和非結(jié)構(gòu)（unstructured）不確定性，非結(jié)構(gòu)不確定性主要是由于測(cè)量噪聲、外界干擾及計(jì)算中的采樣時(shí)滯和舍入誤差等非被控對(duì)象自身因素所引起的不確定性。結(jié)構(gòu)不確定性和建模模型本身有關(guān)，可分為

①參數(shù)不確定性　如負(fù)載質(zhì)量、連桿質(zhì)量、長度及連桿質(zhì)心等參數(shù)未知或部分已知。

②未建模動(dòng)態(tài)　高頻未建模動(dòng)態(tài)，如執(zhí)行器動(dòng)態(tài)或結(jié)構(gòu)振動(dòng)等；低頻未建模動(dòng)態(tài)，如動(dòng)/靜摩擦力等。

模型不確定性給機(jī)械臂軌跡跟蹤的實(shí)現(xiàn)帶來影響，同時(shí)部分控制算法受限于一定的不確定性。應(yīng)用于機(jī)械臂控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法主要包括PID控制、自適應(yīng)控制和魯棒控制等，然而由于它們自身所存在的缺陷，促使其與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制等算法相結(jié)合，一些新的控制方法也在涌現(xiàn)，很多算法是彼此結(jié)合在一起的。

機(jī)器人系統(tǒng)是由視覺傳感器、機(jī)械臂系統(tǒng)及主控計(jì)算機(jī)組成，其中機(jī)械臂系統(tǒng)又包括模塊化機(jī)械臂和靈巧手兩部分。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)建模型如圖1所示。