高速重載機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)與軌跡規(guī)劃及振動(dòng)抑制方法研究.pdf

1、現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域中,生產(chǎn)效率的不斷提高經(jīng)常需要機(jī)械臂附帶較重的負(fù)載,高速完成焊接、搬運(yùn)、碼垛、裝配等生產(chǎn)任務(wù),使現(xiàn)代機(jī)械臂設(shè)計(jì)呈現(xiàn)出高速、重載,高動(dòng)態(tài)性能的特點(diǎn);而隨著人們資源、環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng),又期望機(jī)械臂具有相對(duì)較低的自重,消耗較少的能源。高速、重載和較輕自重的要求,使機(jī)械臂本體的柔性特征表現(xiàn)的越來(lái)越明顯,從而不可避免的帶來(lái)了振動(dòng)加大、精度下降等問(wèn)題;速度的增加,使機(jī)械臂關(guān)節(jié)間耦合特性表現(xiàn)的更加明顯,傳統(tǒng)的基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的軌跡規(guī)劃已逐漸不

2、能滿足使用需求,必須設(shè)計(jì)基于動(dòng)力學(xué)的軌跡規(guī)劃方法;大的加速度會(huì)對(duì)機(jī)械本體形成大的激勵(lì),從而導(dǎo)致振動(dòng)進(jìn)一步加大;這些問(wèn)題已成為現(xiàn)代高速重載機(jī)械臂研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。本文結(jié)合國(guó)家“NC”科技重大專項(xiàng)和“863”計(jì)劃項(xiàng)目,從提高機(jī)械臂動(dòng)態(tài)性能的目的出發(fā),針對(duì)新型高速重載機(jī)械臂設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出的柔性特性,以及關(guān)節(jié)間強(qiáng)耦合帶來(lái)的末端速度受限等問(wèn)題,對(duì)機(jī)械臂柔體動(dòng)力學(xué)建模、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、高速運(yùn)動(dòng)下的軌跡規(guī)劃,以及殘余振動(dòng)抑制等關(guān)鍵問(wèn)題進(jìn)行研究。

3、>　　針對(duì)高速重載機(jī)械臂柔性特征表現(xiàn)明顯的問(wèn)題,提出了一種同時(shí)考慮連桿柔性和關(guān)節(jié)柔性的機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。首先基于 Lagrangian方程建立了機(jī)械臂動(dòng)力學(xué)模型,并采用 Timoshenko梁模型對(duì)柔性中空桿件進(jìn)行了離散化,基于一階固有頻率最大準(zhǔn)則和自重/負(fù)載比最小準(zhǔn)則,對(duì)建立的柔性機(jī)械臂模型進(jìn)行了優(yōu)化。采用NSGA-II(Fast Elitist Nondominated Sorting Genetic Algorithms)算法對(duì)

4、該多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題進(jìn)行了求解,并對(duì)優(yōu)化結(jié)果的有效性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過(guò)仿真對(duì)比分析了引入關(guān)節(jié)柔性和不考慮關(guān)節(jié)柔性對(duì)機(jī)械臂優(yōu)化設(shè)計(jì)的影響,結(jié)果表明:對(duì)于高速重載機(jī)械臂,同時(shí)考慮關(guān)節(jié)柔性和連桿柔性的優(yōu)化設(shè)計(jì)避免了優(yōu)化結(jié)果出現(xiàn)局部最優(yōu)的情況,保證了機(jī)械臂具有最優(yōu)的整體性能。
　　為提高機(jī)械臂關(guān)節(jié)建模精度,提出了一種同時(shí)考慮摩擦、遲滯和間隙特性的柔性關(guān)節(jié)建模方法。該方法將關(guān)節(jié)分為高速軸和低速軸兩部分,基于 GMS(generalize

5、d Maxwell-slip)方法構(gòu)建了減速器的摩擦模型,基于“多項(xiàng)式+微分方程”方法建立了遲滯模型,采用輸入-輸出軸速度差作為狀態(tài)變量,建立了間隙模型。在上述模型建立的基礎(chǔ)上,構(gòu)建了同時(shí)考慮摩擦、遲滯和間隙特性的綜合模型。同時(shí),研究了關(guān)節(jié)模型中各部分參數(shù)的辨識(shí)方法,并對(duì)所建立的關(guān)節(jié)模型在Matlab/Simulink中進(jìn)行了仿真,結(jié)果表明:該模型體現(xiàn)出實(shí)際關(guān)節(jié)的各種非線性特性,為基于模型的控制方法奠定了基礎(chǔ)。
　　針對(duì)高速重載機(jī)

6、械臂中關(guān)節(jié)間耦合帶來(lái)的基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的軌跡規(guī)劃方法規(guī)劃的軌跡速度受限的問(wèn)題,提出了一種基于動(dòng)力學(xué)的在線近似時(shí)間最優(yōu)平滑軌跡規(guī)劃新方法。采用參數(shù)形式來(lái)表示機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)軌跡,且將關(guān)節(jié)力矩和速度限制轉(zhuǎn)換到該參數(shù)空間內(nèi)構(gòu)成偽速度限制曲線,偽速度曲線的構(gòu)造采用在限制曲線上選取特征點(diǎn)并利用三次多項(xiàng)式擬合的方法,這樣既避免了龍格現(xiàn)象又保證了關(guān)節(jié)加加速度的連續(xù)性。通過(guò)與傳統(tǒng)基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)械臂軌跡規(guī)劃方法比較,所提出的方法在滿足力矩限制的條件下,充分利用了關(guān)節(jié)

7、的最大速度,使得機(jī)械臂按照規(guī)劃的軌跡運(yùn)動(dòng)的時(shí)間近似最優(yōu),提高了機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)速度,并且保證了軌跡規(guī)劃的實(shí)時(shí)性。該方法在搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　為解決高速重載機(jī)械臂柔性加大帶來(lái)的振動(dòng)加劇問(wèn)題,提出了一種時(shí)間最優(yōu)輸入整形振動(dòng)抑制算法。首先,通過(guò)引入負(fù)脈沖整形器,將整形脈沖幅值作為優(yōu)化參數(shù),使整形器的設(shè)計(jì)具有全局最優(yōu)性,在此基礎(chǔ)上,采用 NSGA-II優(yōu)化算法,以敏感性最小和整形器延時(shí)最短為優(yōu)化目標(biāo),考慮殘余振動(dòng)幅值和高

8、階模態(tài)激勵(lì)等約束條件,對(duì)整形器進(jìn)行了優(yōu)化。其次,采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)機(jī)械臂的振動(dòng)模型進(jìn)行模擬,提高了振動(dòng)參數(shù)的估計(jì)精度,使估計(jì)的振動(dòng)頻率誤差在1％±之內(nèi),估計(jì)的阻尼率誤差在3%±之內(nèi),從而減小了整形器對(duì)參數(shù)魯棒性的要求。最后,通過(guò)建立的 MATLAB-ADAMS聯(lián)合仿真模型及搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)驗(yàn)證了該算法的有效性。
　　為驗(yàn)證論文所提出的建模、優(yōu)化設(shè)計(jì)、軌跡規(guī)劃及振動(dòng)抑制算法的有效性,建立了3DOF高速重載機(jī)械臂實(shí)驗(yàn)樣機(jī),并在該樣機(jī)上進(jìn)行了