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一个 非常灵活的机械手系统的振动控制 Z. *， J. 来西亚大学电机工程系， 佛 81310，马来西亚 2002年 10 月 29 日收到 ;于 2003年 11月 26日接受 摘要 本文介绍了一种用于非常灵活和高摩擦的机械手系统的振动控制的前馈和反馈控制方案的开发的实验研究。研究了基于输入整形和低通滤波技术和应变反馈控制方案的前馈控制方案。为了研究控制器的有效性，最初开发了一种配置的使用 制器的性能与输入跟踪能力和减振有关。此外，讨论了前馈控制方案的鲁棒性。最后，介绍了控制策略的比较评估。 关键词：命令整形 ;柔性机械手 应变反馈振动控制 大多数现有的机器人操纵器被设计成最大化刚度，以尽量减少系统振动并获得良好的位置精度。通 过使用重质材料实现高刚度。因此，这种机器人通常相对于操作有效载荷很重。这又限制了机器人操纵的操作速度，增加了致动器的尺寸和能量消耗。此外，在这种情况下，机器人重量比的有效载荷较低。相比之下，灵活的机器人操纵器比其刚性对应物具有许多优点：它们需要更少的材料，更轻的重量，更高的操纵速度，更低的功率消耗，更小的致动器，更可操作和便携式，更安全的操作，总体成本较低，机器人重量比较高（ 1994）。然而，为了实现和保持准确的定位，灵活操纵器的控制是具有挑战性的。问题出现是由于精确的定位要求，导致振动的系统灵活 性，获得系统的精确模型和系统的非最小相位特性的困难（ 1992）。为了获得终点位置精度，需要考虑系统的刚体和动作的控制机构。 灵敏机械手系统的控制策略可以分为前馈和反馈控制方案。前馈控制技术主要用于振动抑制，并涉及通过考虑系统的物理和振动特性来开发控制输入，从而降低响应模式下的系统振动。该方法不需要任何附加的传感器或执行器，并且一旦开发输入，就不考虑系统中的变化。已经提出了许多技术作为用于控制振动的前馈控制方案。这些包括利用傅里叶扩展作为强制功能，以减少离散点处的频谱峰值（ 1980），基于系统的动态模型开发计算转矩（ 991），利用单次和多次开关轰击控制功能（ 1991），从斜坡正弦波或者频率函数建立输入函数（ 1990）。此外，具有指令整形技术的前馈控制方案也在减少系统振动方面进行了研究。这些包括基于低通，带阻和缺口滤波器的滤波技术（ 1995; 996）和输入整形（ 2002; 1990） 。在滤波技术中，在提取围绕系统的固有频率的输入能量的基础上开发过滤的扭矩输入。以前的单链柔性机械手的实验研究表明，使用输入整形技术可以实现更高的振动降低和鲁棒性，而不是使用滤波技术。然而，前馈控制方案的主要缺点是它们在应对系统的参数变化和干扰方面的局限性（ 1994）。此外，该技术需要相对精确的系统动力学知识。 反馈控制技术使用系统状态的测量和估计，并相应地改变执行器输入，以控制系统的刚体运动和振动抑制。反馈控制器可以设计成对于参数不确定 性是鲁棒的。通常，通过将每个传感器精确地定位在致动器的位置，可以使得灵敏操纵器的控制更容易，因为传感器和执行器的配置保证了稳定的伺服控制（ 970）。在灵活的机械手系统的情况下，可以使用从轮毂和机械手端点获得的测量来控制终点位置。然后将测量用作在轮毂上施加控制扭矩的基础。因此，反馈控制策略可以分为并置和非并置控制技术。可以使用的传感器是应变计和加速度计。已经进行了大量的工作，利用应变计来设计用于振动抑制的柔性操纵器的补偿器（ 1988; 1984）。直接应变反馈控制，其中阻尼项被引入到控制柔性操纵器的振动的微分方程中也已经被提出（ 994）。理论和实验结果显示振动行为的改善，但没有关于机械手的终点行为的任何信息。应变计具有不能直接测量机械手位移的缺点，因为它们只能提供本地信息。因此，通过使用应变计的位移测量需要更复杂和可能耗时的计算，这可能导致不准确（ 1988）。或者，已经研究了利用端点测量的几种控制方法来控制振动（ 1984; 988）。它已经证明使用终点传感器可以实现更精确的端点定位。然而，由此产生的控制器对相应的并置设计的植物不确定性的鲁棒性较差。此外，通过应用基于非并置传感器的控制转矩，将关注非最小相位和实现稳定性的问题。 本文介绍了夹紧在高比例减速机驱动机构上的非常灵活和高摩擦机器人机械手的振动控制控制方案的实验研究。控制策略是基于前馈和反馈控制技术开发的。在前者中，考虑了具有四脉冲序列和三阶巴特沃斯低通滤波器的输入整形。在后一种情况下，使用应变仪的直接应变反馈设计用于控制机械手的 振动。应变仪靠近机械手的轮毂，以避免与非并置控制有关的问题。此外，本文还对这些技术的性能进行了比较评估。考虑了双链路灵活机器人，实验研究仅针对第二个链路的移动，第一个链路固定。为了证明控制器在减少机械手振动方面的有效性，最初开发了一种采用轮毂角度和轮毂速度的基于接头的并置 于控制刚体运动。然后将其扩展为包含用于控制机械手振动的前馈和应变反馈控制器。输入整形器和滤波器是基于闭环系统的动态特性设计的，用于预处理参考输入。根据减振水平，输入跟踪能力和鲁棒性来评估开发的控制方案的性能。这些是通过比较系统 响应与 出了具有控制方案的轮毂角和终点加速度的实验结果。为了评估鲁棒性，在固有频率下以高达 30的误差容限来评估控制方案。最后，介绍了柔性机械手振动控制控制策略性能的比较评估。本文的其余部分结构如下：第 2节提供了本研究中考虑的灵活机械手的简要描述。第 3节描述了本调查中使用的前馈和反馈控制技术。第 4节介绍了控制器的实现，实验结果和性能评估。最后，本文在第 5节中得出结论。 图 1显示了本调查中使用的双链路灵活机械手。机械手是为了测试和验证位置和力控制算法而设计的（ 1998）。它包括一个模块化的结构，其中的接头和连接可以很容易的交换。为了将其转换为单链接灵活机械手，第一个链接的相应关节是非常僵硬的窃取梁，被阻挡。仅允许操纵器的第二关节旋转，并且相应的连杆由非常灵活的弹簧钢梁制成。易燃链路被夹紧到高比例减速齿轮致动机构。如图所示。如图 1所示，使用 50:1的减速齿轮。因此，柔性操纵器的联合摩擦力较高，因此操纵器的轮毂不会自由旋转。驱动机构是由高级运动控制的 12服放大器驱动的谐波驱动 服系统。机械 灵敏机械手系统的模型如图 1所示。 2其中 o Y 连杆被夹紧到惯性矩 刚性轮毂上半径， r： t 是施加在轮毂上的扭矩机械手。框架 Y o 轴线 距离 机械手的相关特性如下：梁长度 L = 0： 5 m;的宽度光束 w = 0： 001 m;梁的高度 h = 0:02 m;质量密度 r = 7850 氏模量 E = 209 109 毂半径 r = 0： 075 m：两个传感器，即编码器和测速发电机分别安装在机械手的接头处，用于测量系统的轮毂角度和轮毂速度。在这项工作中，第一个三个固有频率被认为是主要表征动态行为的特征系统。为了捕获具有较高模式的低干扰的第一种三种振动模式，安装在梁上的应变仪桥被放置在第四模式的曲率函数的零点处。这些距离距离梁的夹紧点为 8 和 32 厘米。此外，为了直接测量光束终点的行为，将压电加速度计置于其终点。考虑线性光束理论，传感器测量以简单的形式与物理量有关。应变计桥梁测量梁的曲率 ; 加速度计测量终点加速度 ; 其中 认为是来自应变仪桥和加速度计的信号调节电路的输出电压信号。光束曲率是位移变量 且可以沿着梁的任何点进行评估。 一个常数，取决于应变计桥的输入电压，应变规格因子，光束的宽度和放大增益。 是常数，取决于加速度计的放大增益。 图 图 1 灵活的机械手系统 13 (2005)PD of is to of at 1980), of N to 1991), of 1991),of 990) +60+Z. 0967is In in to to 1994)of at in is A as of as in an to is by As in of of of 1992). To a of be as of a , 9 002;a as is a 003 r 2003 77.S!a 1310, 003of of D of is N in on & 1995; 996) 2002;990)is on of of on a of is in to & 1994). of of of of of be to be to In be by of as of 970). In be of is as a at be An of to 1988; 1984). A a 1994). a of as by to 1988). of Z. et ,1984;988)is to on of of be of of a to a on In a In a is of to of so as of A is to of of of a D is of is to of of on of of of of by D 0% in a of of in of is of is as a of in of . is 3 (2005) 2672771of of & S!1998). It of a be it a is of is to of a is to a As 1, a 0:1 is of in is a by a 12A8 of is w 0:001 m; h 0:02 m; r 7850 kg= 209r 0:075 m: at of as of In to of on of of 18 2 cm of in N Y 0 , E, I, L )v (x,t) I H, r) (t) 2. of 18 et (2005) 267277 2692 to a of of r: t is at of is by y: of X at a is as he of of 0:5m; of 0:1 32 50 1. 4.5 cm or a of of of a at to in a 2to of s 3 0 Kv3s is is N et (2005) 267277270D is of of D of a PD of is of of A of is 3, y y r is of is to to t) u(t)-+t)Ksa L; 2as is of be a of a on of of 3. D 4s is to of S!002)by ; 5 of In a to D of of on D is As on is of is D to of of is in 1990).A be as a of a 6ru(t)-+t) .(t)4. D N z is of of at t 0 7 of to of be odbe 8i at of is at of 22q; 92o it 12q.(9) to it is of is To is at 0: 12q.(9) 1a ; t2111 K; 1 K; 10 1of be by et 0:
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