[發明專利]一種基于軌跡規劃的變剛度柔性臂抑振控制方法

有效

• 申請號: 202110846929.6
• 申請日: 2021-07-27
• 公開（公告）號: CN113635300B
• 公開（公告）日: 2023-09-01
• 發明（設計）人: 程強;徐文祥;郝小龍;黃河;劉志峰;楊聰彬
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: B25J9/16
• 分類號: B25J9/16
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

本發明公開了一種基于軌跡規劃的變剛度柔性臂抑振控制方法，實現過程如下：基于Hamilton理論構建機器人機械手的分布式動態物理模型；根據系統的數學模型提出變剛度柔性臂抑振控制器的設計；通過構造李雅普諾夫函數驗證變剛度柔性臂在上述控制器作用下的穩定性。比較不同軌跡下柔性臂的振動響應；以最小振動位移、最小能量消耗和最小軌跡跟蹤偏差為目標,基于差分進化算法對變剛度柔性臂運動軌跡進行優化可得到明顯抑振效果。本發明所提出的基于軌跡規劃的變剛度柔性臂抑振控制方法能夠有效抑制柔性臂的振動，控制所述變剛度柔性臂隨最優軌跡轉動到期望位置。

技術領域

本發明涉及一種基于軌跡規劃的變剛度柔性臂抑振控制方法，屬于柔性手臂控制領域。

背景技術

柔性臂由于具有重量輕、運行速度快、能耗低等優點，在精密制造和醫療診斷中發揮著重要作用。柔性臂具有低剛度、輕質、低能耗、響應速度快、操作靈活及工作效率高等優點，逐漸取代了剛性臂，并在高精密工業、航空航天等領域中扮演著越來越重要的角色。

柔性機械臂具有較強的剛柔耦合性，在實際作業時，柔性臂系統通常被要求能夠實現快速位置響應，同時最小化彈性振動。相對較輕的韌性結構需要更少的能源傳動，但其抗干擾能力也較差。在作業時容易產生較大的形變和振動，而影響系統的穩定性與控制精度。長時間的振動會破壞系統結構，如果引起機械臂的共振，會進一步加長振動時間，甚至引發災難性的后果，嚴重影響了柔性機械臂的使用壽命。國內外學者在柔性機械臂的控制上做了大量的研究，得到了許多抑制振動的控制方法，應用于均質及常規的柔性臂，且柔性臂運動過程的軌跡沒有進行設計，而對于軌跡規劃與變剛度柔性臂相結合的抑振控制方法的研究尚屬欠缺。

為了系統性地探究基于軌跡規劃的變剛度柔性臂抑振控制方法，需要結構簡單又能滿足要求的、運動效果更好的變剛度柔性臂和相應的控制方法。

發明內容

本發明的目的地在于提供一種結構簡單又能滿足要求的、基于軌跡規劃運動效果更好的變剛度柔性臂抑振控制方法，其能夠實現變剛度柔性臂隨軌跡自動跟蹤，解決變剛度柔性臂運動過程振動過大的問題。

為實現上述目的，本發明區別于常規的均質機械臂，結構采用變彎曲剛度設計，關節角輸出方程θ(t)遵循所設計的運動軌跡，并達到期望角度θ_d，該控制方法具備更好的抑振性能。

本發明還提供了一種基于軌跡規劃的變剛度柔性臂抑振控制方法，包括如下步驟：步驟一，對變剛度柔性臂系統的總動能、變剛度柔性臂的勢能以及系統的非保守力做功進行分析，然后變剛度柔性臂系統的邊界條件可以表示為：

步驟二，根據無外界擾動的解析模型，變剛度所述變剛度柔性臂的分布式系統方程表示為：

步驟三，建立分布式控制u(t)以確保系統狀態y(x,t)可以在不違反期望約束的情況下跟蹤參考軌跡，變剛度柔性臂的邊界平衡方程可以表示為：

u(t)＝I_hθ”(t)-E_LIy_xx(0,t)-T_Ly(L,t)

步驟四，在機械臂末端施加非線性邊界輸入，在機械臂末端進行控制，調整機械臂的振動，使系統趨于較快穩定。根據步驟二中邊界平衡方程，非線性邊界輸入F(x,t)可以得到：

F(x,t)＝mz”(L,t)+T_Ly_x(L,t)-E_LI(L)y_xxx(L,t)

步驟五，當機械臂的動能、勢能和質量的動能最小時，機械臂的彈性變形y(x,t)最小。通過考慮跟蹤誤差和跟蹤誤差變化率，構造Lyapunov函數為