柔性驅(qū)動拱架機器人的建模與控制.pdf

1、本文研究了由同步帶驅(qū)動的兩軸拱架機器人的建模與控制問題，該類機器人提供了兩個相互垂直方向的運動，即沿梁運動的工作頭(x方向)和沿基座運動的梁(y方向)。兩運動軸由于工作頭在x軸的位置影響y軸的動力學(xué)特性而相互耦合，這一耦合的產(chǎn)生是由于工作頭在梁上的位置決定了y軸的質(zhì)量分布，也即y軸運動的振動特性。同步帶驅(qū)動系統(tǒng)將電機扭矩轉(zhuǎn)換為兩運動機構(gòu)的線性驅(qū)動力，目的是使工作頭盡可能快地移動到目標位置并達到微米級的定位精度，但摩擦力的干擾、柔性梁和同

2、步帶驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)振動以及兩運動機構(gòu)之間的動力學(xué)耦合給這一控制目標的實現(xiàn)增加了難度。目前，對同時具有驅(qū)動柔性和結(jié)構(gòu)柔性的拱架機器人的研究還非常少。
　　 首先，建立了拱架機器人x方向的動力學(xué)模型。為減小由同步帶驅(qū)動的直線伺服定位系統(tǒng)的振動，構(gòu)造了雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，基于對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的頻域分析，將系統(tǒng)振動分為低頻振動和高頻振動，這一區(qū)分對系統(tǒng)控制器的振動抑制策略非常重要。采用低陷濾波器抑制系統(tǒng)的高頻振動，時滯濾波方法規(guī)劃了合適的參考

3、輸入，并結(jié)合PID控制實現(xiàn)快速的點到點運動并保持較小的殘余振動。作為一種離線規(guī)劃措施，此控制器設(shè)計方法不需改變系統(tǒng)的任何硬件設(shè)施，能直接、有效地應(yīng)用于現(xiàn)有的柔性驅(qū)動系統(tǒng)中。其次，對拱架機器人的y向動力學(xué)進行了建模，模型考慮了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)柔性與驅(qū)動柔性以及兩者之間的耦合作用。結(jié)構(gòu)柔性具體體現(xiàn)為三種類型的振動：柔性梁在剛性模態(tài)下的扭轉(zhuǎn)振動，一端支撐于扭簧上的柔性梁的彎曲振動和簡化為一移動振蕩子的貼裝頭的振動?；谙到y(tǒng)的振動特性分析，提出了原型

4、機的機械設(shè)計改進方法。
　　 另外，分別研究了當(dāng)工作頭靜止和移動時，柔性梁的 輸出反饋控制器設(shè)計方法。當(dāng)工作頭在x方向固定時，應(yīng)用線性矩陣不等式處理方法，給出了系統(tǒng)的輸出反饋最優(yōu)控制器。當(dāng)工作頭沿柔性梁移動時，拱架機器人的y向動力學(xué)模型可作為一線性變參數(shù)系統(tǒng)處理。采用嚴格的等價變換將一類通用的線性變參數(shù)系統(tǒng)描述模型變換為一簡化模型，引入變 性能將控制器的設(shè)計問題轉(zhuǎn)換為滿足線性矩陣不等式約束的參數(shù)矩陣的求解問題，并給出了無需變參數(shù)

5、變化率反饋的變增益全階輸出反饋 控制器設(shè)計方法。接著基于“ 性能覆蓋”的概念，給出了保 性能的插值方法。仿真結(jié)果表明：魯棒控制器具有較小的調(diào)節(jié)時間且有效抑制了系統(tǒng)的振動和外部干擾，且本文提出的變增益 控制器設(shè)計方法能有效降低控制系統(tǒng)的保守性。然后，針對普通變增益 控制器設(shè)計過程復(fù)雜及權(quán)函數(shù)選擇困難等缺陷，采用回路成形方法設(shè)計線性變參數(shù)系統(tǒng)的 控制器，并將其應(yīng)用于拱架機器人上。為了得到線性變參數(shù)系統(tǒng)的連續(xù)控制器，通常對選定的變參數(shù)值設(shè)計線

6、性控制器后，需要在變參數(shù)集合內(nèi)對這些線性控制器進行插值。本文給出了輸出反饋線性控制器進行保穩(wěn)定性插補的充分條件，確保系統(tǒng)指數(shù)穩(wěn)定的變參數(shù)變化率的上界也可在計算出控制器插值后得出。由于此方法得出的控制器通常具有較高的階數(shù)，為方便工程應(yīng)用，對控制器進行降階處理，采用變增益PID控制器逼近高階魯棒控制器，從而將最終的 控制結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為PID+濾波器的常見形式。仿真結(jié)果驗證了所提控制方法的有效性。
　　 最后，介紹了拱架機器人在RFID封