（机械设计及理论专业论文）液压柔性臂的动力学及控制研究.pdf

摘要 冬 质 柔 性 机 械 臂 同 传 统 的 刚 性 机 械 “ 才目比 ， “ 有 运 动 灵 活 低 能 耗及高负载/ 本体质量比的特点，在航空、航天及机器人领域得到了 极大的应用。 针对柔性机械臂进行有效和精确的建模以 及对其进行有 效的主动控制一直是国内外学者研究的重要课题， 其中n e w t o n - e u l e r 和 l a g r a n g e法广泛地应用于柔性机械臂的动力学模型建立，滑模控 制、自 适应控制和智能控制等非线性控制的应用，也取得了大量的成 果。但值得提出的是以上研究绝大部分都是以电动机驱动柔 机械臂 为对象的，而对液压柔性机械臂所开展的工作，相对较少 本研究工 作以 液压柔性机械臂为重点，分析、建立这一高度非线性、强祸合和 时变系统的动力学模型，利用最新非线性控制研究的理论成果，以电 液伺服位置系统的控制研究为基础， 提出了一种全新液压柔性机械臂 的自 适应鲁棒控制设计理论和方法，进行了系统控制的仿真和相关的 实验研究。其主要研究工作内容是:分析柔性机械臂动力学特性，研 究了 假设模型法、 有限元法和集中质量法等动力学建模方法;以反演 控制设计为核心，针对电液伺服系统这一类同时存在不确定参数和不 确定非线性模型的动力学系统，提出了自 适应鲁棒控制设计方法，并 进行了 严格的理论 推导和稳定性的证明，计算机的仿真分析验证了结 论的正确性;单连杆柔性机械臂的运动学及动力学实验，表明了所提 出的系统动力学模型及变结构滑模控制方法的正确性;在液压试验台 进行的液压柔性机械臂等效动力学模型一一具有柔性载荷电液位置 伺服系统的控制实验，验证了自 适应鲁棒控制方法对其控制的可行 j险; 研究了多连杆液压柔性机械臂系统中，液压缸与柔性臂之间的祸 合作用问 题， 提出了“ 驱动j a c o b i a n 矩阵” ( d r i v e j a c o b i a n ) 的 概 念， 算例分析给出其具体计算方法。 根据液压柔性机械臂的结构特点， 提出了二连杆液压柔性机械臂的有限元动力学模型及自 适应鲁棒控 制策略，通过计算机数字仿真分析，获得了 满意的结果，该动力学模 型的建立及控制方法可以扩展到相同结构的多连杆液压柔性机械臂; 运用前面所提出的动力学建模和控制设计方法， 完成了全自 动树枝修 剪机器人的设计。 护 关键词柔性机械臂，电液伺服系统 、 一 产、 一 / 非线性控制，反演控制 abs t ract c o m p a r i n g w i t h t h e c o n v e n t i o n a l r i g i d r o b o t i c m a n i p u l a t o r , t h e r e a r e a n u m b e r o f p o t e n t i a l a d v a n t a g e s s t e m m i n g f r o m t h e u s e o f l i g h t - w e i g h t fl e x i b l e - l in k m a n i p u l a t o r s u c h a s f a s t e r o p e r a t i o n , l o w e r e n e r g y c o n s u m p t i o n , a n d h i g h e r l o a d - c a r ry i n g c a p a c i ty f o r t h e a m o u n t o f e n e r g y e x p e n d e d . mo d e l i n g a n d c o n tr o l l i n g a r e v e ry i m p o r t a n t i s s u e s f o r r o b o t fl e x ib l e m a n i p u l a t o r s . ma n y r e s e a r c h e r s h a v e p u t m u c h m o r e e f f o r t s o n s t u d y i n g t h e t w o p r o b l e m s . f o r i n s t a n c e , d y n a m i c m o d e l i n g o f fl e x i b l e l in k s b y u s i n g n e w t o n - e u l e r a n d l a g r a n g e e q u a t i o n s , a n d r o b u s t c o n t r o l , a d a p t i v e c o n t r o l a n d i n t e l l i g e n t c o n t r o l t e c h n i q u e s h a v e b e e n p r o p o s e d f o r t h e fl e x i b l e m a n i p u l a t o r s . h o w e v e r , m o s t l y o f t h e s e a c h i e v e m e n t s a r e f o c u s o n t h e fl e x i b l e m a n ip u l a t o r s d r i v e n b y d c - m o t o r , t h e r e a r e f e w s tu d i e s o f c o n t r o l l i n g h y d r a u l i c a l l y d r i v e n fl e x i b l e m a n i p u l a t o r s . t h i s r e s e a r c h p r o j e c t f o c u s e s o n t h e h y d r a u l i c a l l y d r i v e n fl e x i b l e r o b o t m a n i p u l a t o r s . b a s e d o n a n a l y z i n g a n d m o d e l i n g o f t h e d y n a m i c s s y s t e m o f fl e x i b l e - l i n k s , w h i c h i s a s t r o n g l y n o n - l i n e a r 、t i g h t - c o u p l i n g a n d t i m e - v a ry i n g s y s t e m , a n d c o n t r o l l i n g o f a n e l e c t r o - h y d r a u l i c p o s i t i o n s e r v o s y s t e m , a n e w a d a p t i v e r o b u s t c o n t r o l l e r d e s i g n t h e o ry a n d m e t h o d o l o g y f o r t h e h y d r a u l i c a l l y d r i v e n fl e x i b l e r o b o t m a n i p u l a t o r s h a s b e e n p r o p o s e d . i n o r d e r t o d e m o n s t r a t e t h e e f f e c t i v e n e s s o f c o n t r o l a l g o r i t h m i n t r o d u c e d i n t h i s p a p e r , n u m e r i c a l s i m u l a t i o n s a n d e x p e r i m e n t s h a v e b e e n p e r f o r m e d . t h e r e s e a r c h w o r k s d e s c r i b e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n m a i n l y c o n s i s t o f f o l l o w in g t o p i c s . t h e d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f fl e x i b l e r o b o t m a n i p u l a t o r s h a v e b e e n a n a l y z e d , a n d i n t r o d u c e d d i f f e r e n t m e t h o d s t h a t h a v e b e e n p r o p o s e d f o r m o d e l i n g o f fl e x i b l e l i n k , n a m e l y , a s s u m e m o d e s m e t h o d , f i n i t e e l e m e n t m e t h o d a n d l u m p m a s s m e t h o d . a v a r i e t y o f r o b u s t c o n t r o l l in g d e s i g n a p p r o a c h e s u s e d f o r t h e n o n - l i n e a r s y s t e m , s u c h a s , v a r i a b l e s t r u c t u r e s l i d i n g m o d e c o n t r o l , a d a p t i v e c o n t r o l a n d b a c k s t e p p i n g c o n t r o l h a v e b e e n a p p l i e d i n t h e r e s e a r c h w o r k . u s i n g b a c k s t e p p i n g c o n t r o l d e s i g n m e t h o d o l o g y , a n a d a p t i v e r o b u s t c o n t r o l l e r i s a d o p t e d f o r t h e e l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m s . t h e c o n t r o l l e r i s a b l e t o t a k e i n t o a c c o u n t n o t o n l y t h e e f f e c t o f p a r a m e t e r v a ri a t i o n s b u t a l s o t h e e f f e c t o f h a r d - t o - m o d e l n o n - l in e a r i ty . t h e p r o p o s e d c o n t r o l l e r i s p r o v e n t o b e a s y m p t o t i c a l l y s t a b l e v i a r i g o r o u s m a t h e m a t i c a l c o n s e q u e n c e ; s i m u l a t i o n r e s u l t s d e m o n s t r a t e t h e e f f e c t i v e n e s s o f t h e a p p r o a c h . t h e k i n e t i c a n d d y n a m i c e x p e r i m e n t s o f a s i n g l e - l in k fl e x i b l e m a n i p u l a t o r h a v e b e e n g i v e n t o v e ri f y t h e v a l i d i ty o f t h e d y n a m i c m o d e l a n d e f f e c t o f t h e s l i d i n g c o n t r o l c o m b i n i n g w i t h t h e p o l e p l a c e m e n t t e c h n i q u e . t h e e x p e r i m e n t s o f e l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m w i t h a fl e x i b l e l o a d c a r r i e d o u t i n h y d r a u l i c t e s t ri g s h o w e d t h a t a d a p t i v e r o b u s t c o n t r o l l e r m e n t i o n e d a b o v e i s s t r o n g l y r o b u s t i n m a i n t a i n i n g t h e s a m e l e v e l o f d y n a m i c p e r f o r m a n c e a s t h e s t u d i e d s e r v o s y s t e m s . t h e i n t e r a c t i o n s b e t w e e n i v h y d r a u l i c c y l i n d e r s a n d fl e x i b l e r o b o t m e c h a n i s m h a v e b e e n a n a l y z e d , a n d p r o p o s e d a s p e c i a l m a t r i x , t e r m e d d r i v e j a c o b i a n . a n e x a m p le i s a l s o g i v e n f o r t h e c a l c u l a t i o n o f d r iv e j a c o b i a n . a r o b u s t a d a p t i v e c o n t r o l l e r f o r t h e t w o - l i n k h y d r a u l i c a l l y d r i v e n r o b o t m a n i p u l a t o r s h a s b e e n p u t f o r w a r d , a n d i t h a s b e e n c o n f i r m e d b y m e a n s o f d y n a m i c s i m u l a t i o n s . t h e c o n t r o l s t r a t e g y a l s o c a n b e u s e d f o r m u l t i - l in k fl e x i b l e r o b o t m a n i p u l a t o r s . e m p l o y i n g t h e d y n a m i c m o d e l i n g a n d c o n t r o l l e r d e s i g n m e t h o d p r e v i o u s l y a d d r e s s e d , a n a u t o m a t i c t r e e - t r i m m i n g r o b o t h a s b e e n d e s i g n e d . ke y w ords fl e x i b l e r o b o t m a n ip u l a t o r , e l e c t r o - h y d r a u l i c s e r v o s y s t e m , n o n - l i n e a r c o n t r o l , b a c k s t e p p i n g c o n t r o l , a d a p t i v e r o b u s t c o n t r o l 原 创 性 声 明 本人声明， 所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均己 在在论文中作了明确的说明。 作 者 签名:t - 乞 日 期: 三 迎 卫 年_ 匹 月0 1日 关于学位论文使用授权说明 本人了 解中南大学有关保留、 使用学位论文的规定，即: 学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位论 文的全部或部分内容， 可以采用复印、 缩印或其它手段保存学位论文; 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作 者 签 名 : -导 师 签 名 日 期: 2 0 0 3 - 年卫5 月 卫l日 博士学像论文 第一章绪论 第一章绻论 1 1 柔性机械臂控制问题的提出 现代机械设计及控制的发展，使得由予机械构件本身固有的弹性而产生的振 动影响愈来愈突出，其动力学建模和控制问题也引起了广泛的关注，这是因为： 魏褐设计轻鍪纯簪致大量轻质材瓣酶使用，镶热太空深溺稻各类桃械，升空燃 料的节约、飞船空间的限制，均对设备的重嚣提出了要求，这就是在航空航天 领域大量应瘸亳速、藩精瘦、毒负载鑫重魄豹撬辕鞠 孛静羰函：税稳运动静高 速化，使得惯性力和由此产生的振动增加，传统的静态设计、分析方法已经无法 潢楚实琢要求0 3 ；蠡于运凌过程中关节秘涟杼静豢洼效应熬辔船，使结搦发生 变形，从而使任务执行的精度降低。因此在机构运动的控制中，实现柔性机械臂 离精度有效攘制必须考虑系统粒动力学特灶，对出予弹牲焉产生熬掇动进行主动 控制，以达到要求的控制精度和响应速度。例如图1 一l 所示的加拿大u n i v e r s i t y o fw a t e r l o o 正在研制开发的全色动汽车轮毂抛光机械手，必保涯轮毂表蘸貔熟 工餍量，要严格控制抛光头的位置谡差，其设计要求端点运动误差小于5 m m 。再 例如，图l 一2 所示，美国能源技术发展局研制开发的用于地下核废料仓维护修理 的越长祝械鬻。“，其长度这到2 0 米，瑞点处的载荷达到几千公斤。为保证机械臂 零l - l 全患毒汽事轮毂樾竞瓠械手实验棒糖 安全可靠地工作，要求系统熊克泼鹫絮柔。隆扳动产生鼹影嘀，准臻浚逮建控期鹫 尊士学位论文 第一章绪论 端机械手的位置。 与传统的刚性构件( r i g i ds t r u c t u r e ) 相比，在设计及控制中必须考虑结构 弹性变形和振动效应的构件称为柔性构件( f l e x i b l es t r u c t u r e ) 。柔性连杆( 柔 性机械臂) ( f l e x i b l e l i n km a n i p u l a t o r ) 是使用最为广泛的一种柔性构件，如 起重机的臂架、机器人的手臂和支腿等都可以视为柔性机械臂，同刚性构件相比 较，由轻质柔性连杆组成的各类臂架机构和机器人( 机械手) 具有以下特点： 相对承载能力较高。刚性结构承载量为其自重的5 1 0 ，而采用轻质的 柔性机械臂架使这个比例提高到了2 0 3 0 ”1 ； 图卜2 超大型柔性机械臂 响应速度快，运动灵活； 工作能耗低。 柔性机械臂是一个非常复杂的动力学系统，动力学方程具有非线性、强耦合、 时变等特点，其动力学模型的建立和运动的控制十分复杂，主要体现在以下几个 方面： 理论上，柔性机械臂系统的准确模型是以偏微分方程组描述，带干扰变量 的无穷维分布参数系统；般采用假没模态法将其转化为便于控制的有限常微分 方程组，这就导致了模型截断误差： 柔性机械臂的摔制中，以端点位置为控制量的系统是一非最小相位系统， 应用传统的控制设计方法无法完成端点对给定轨迹的无误差跟踪： 作一定程度简化的动力学系统仍然是一个高度的非线性化的系统； 模型越精确，需要的状态变量就越多： 在实际工作中，柔性机械臂负载是一不确定量，另外控制系统还存在参数 摄动和非建摸的干扰量。 以上的复杂性给建立在精确模型基础上的柔性机械臂动力学控制研究带来 了很大的困难，现有的控制设计存在着稳定性差，适用范围不广，实时性差而不 2 博十学位论文第一章 绪 论 能 在线控制等不足， 严重地阻碍了 其在实际中的 应用习 。因 此建立满足工程有效 应用的柔性机械臂的建模和控制理论及方法，是我们所面对的重要挑战。 1 . 2柔性机械臂动力学模型的建立 进行柔性机械臂研究， 其动力学模型如何建立和处理，是进行动力学研究的 关键。 柔性机械臂动力学 模型的建立主要是利用l a g r a n g e 和n e w t o n - e u l e r 这两 个最具代表性的方程。 另外比 较常用的还有变分原理、 虚位移原理以 及 k a n e方 程等方法。由于影响动力学系统的因素较多，充分考虑各种影响建立正确反映系 统实际情况的动力学模型是不可能的。在许多情况下，由于所建立的模型比较复 杂，不便于进行理论分析和实际应用， 所以 在建模时需要进行许多假设和合理的 近似处理，建模问题在所有的先进的基于模型的控制技术的推导中具有重要作 用。柔性机械臂动力学模型的复杂性主要是存在运动变形的祸合作用，即:同时 存在非线性刚度运动与线性弹性变形的祸合及多连杆柔性机械臂之间弹性变形 的祸合司 。目 前应用的多 种建模方式可归纳为以 下三类: 1 . 2 . 1 假设 模型法 ( a s s u m e d m o d e s m e t h o d以 下 简称 m m ) 【， ， 在假设模型法中， 柔性机械臂的弹性变形由 无穷多个独立的谐振模态组成， 因为起主导作用的是前面的几阶模态，所以采用截断的方法，取前几阶模态组成 整个 柔性机械臂的 弹性变形， 依据不同 的 边界条 件选取不同的 模态函 数8 1 。 研究 表明， 由a m m法计算所得到的柔性机械臂固有频率值与实验测得的值非常吻合。 a mm法中，计算所获得的固有频率具有明确的物理意义， 但假设的模态值，则 没有明显对应的物理意义。 1 . 2 . 2 有限元法 ( f i n i t e e l e m e n t m e t h o d以下简称f e w 有限元法是将整个柔性机械臂分割成有限单元，以坐标量与选定的振型函数 的线性组合来表示整个变形量，为分析简单起见，各单元内的变形量均视为线性 变化的。 在实际的 应用中， 可以 选择任何适应边界条件的函数+u ， 常用的是静态 变形方程的解。其特点是采用弹性单元、刚性结点、 载荷向结点移置、刚度及阻 尼特性由单元表征。在f e m 法中，各个坐标量都有明 确的物理意义， 但无法直接 求得振动的固有频率。 博士学位论文 第一章绪论 1 2 3 集中质量法( l u m pm a s sm e t h o d 以下简称l m m ) g e 等人在结合模型假设法和有限元法的基础上，将两者相结合，提出了集中 质量法建立柔性机械臂的动力学模型”1 。首先应用有限元的方法，将柔性机械臂 分割成一系列质量弹簧单元，每一单元由一无质量的线性扭转弹簧和一集中 质量组成，然后借用模型假设法计算等效的弹簧系数和集中质量。整个系统的动 力方程由组微分方程来描述。g e 的研究结果表明随着有限单元的细化，集中质 量法能比较准确地描述系统的动力特性，而且各坐标参数都有明确的物理意义。 1 3 控制策略 为解决柔性机械臂的控制问题，学者们提出了多种控制策略。b o o k 在1 9 7 5 年提出的线性化控制方法，是最早提出的柔性机械臂控制方法1 。这是一种简单 的比例一微分( p d ) 控制，能保证在参数一定的变化范围内，系统稳定，但该方 法并没有考虑柔性机械臂的弹性对系统的影响。k o t n i k 将p d 控制方法与臂端加 速度反馈结合起来，对臂端的振动进行控制“；g e 基于集中质量法建立的动力学 模型，设计p d 控制器，用于实现柔性机械臂端点对给定轨迹的跟踪“”。这种p d 控 制器的缺点是缺乏全局渐近稳定性，因而有学者提出了p d 加控制重力补偿或加 期望重力补偿的非线性控制器，理论上可以克服这一缺点。但实际上，由于与重 力相关的负载质量等参数是未知的，因而它的应用受到了限制。 较早的实验研究工作中，c a n o n 在假定系统所有状态变量都可测的基础上， 应用线性二次高斯法( l q g ) 设计优化控制器对柔性机械臂的振动进行控制“； s a k a w a 在相同的假设条件下，设计了线性二次控制器，在实现给定轨迹的周时对 振动进行控制”：b a n a v a r1 9 9 5 年提出了l q g 和h 。综合控制器的设计方法，其 中柔性机械臂的振动控制在内环( i n n e r l o o p ) 由l q g 控制器实现。而不确定参 数条件下系统的稳定则由外环( o u t e r l o o p ) h 。控制器来完成“。 控制模态输入法( i n p u tc o m m a n ds h a p i n g ) 也是柔性机械臂控制方法之一， 关于控制模态有两种不同的算法脉冲法和滤波器法。文献“7 ”首次提出了脉 冲模态算法对柔性机械臂残余振动进行控制的思想，h i l i s l e y 用该方法实现了对 两自由度柔性机械手臂的振动控制“”1 ：k h o r r o m i 将刚性体的控制方法与预设模态 输入法相结合，同样提出了对两自由度柔性机械手臂的振动控制方法。实现控制 模态输入法的前提是整个系统的振动模态是已知的，同时这是一种开环的控制策 略。 虽然前述的线性控制器能在一定的范围内实现所期望柔性机械臂动力系统 4 博士学位沦文 第一章绪论 的闭环控制特性，但在更大的工作区域中，线性化的控制方法就不适用了。在刚 性机械臂的控制中，常用的是一种被称之为反向动力学( i n v e r s e d y n a m i c s ) 或 计算力矩的控制策略。在这种控制方式下，系统的非线性动力特性通过在反馈回 路中引入非线性控制器而得到线性化的解耦，解耦后的线性动力学系统可由随后 构造的伺服控制器方便地进行控制。实现这种控制策略的前提是准确地建立系统 的数学模型，而且非线性项能完全消除“。w a n g 的研究已经表明非线性的柔性机 械臂动力学系统是非全局输入一状态( i n p u t s t a t e ) 可线性化系统，当选取臂 端点位置作为输出时，系统可分解为局部输入一输出( i n p u t o u t p u t ) 可线性化 系统和一个非最小相位的零阶动力学系统，因此，刚性臂系统控制采用的反向动 力学控制方法不能直接应用于柔性机械臂的控制”“。以下是为解决这一问题而提 出的几种控制方法。 1 ) 奇异点摄动理论( s i n g u l a rp e r t u r b a t i o na p p r o a c h ) 该理论已被许多研究者应用于柔性机械臂系统的建模和控制。奇异点摄动控 制方法是利用双时剐刻度( t i m e s c a l e ) 特性，其中线性控制器用于对柔性机械 臂振动的控制( 快速) ，非线性控制器用于对连杼关节的控制( 慢速) ，以实现要 求的运动轨迹。文献 2 3 中，s i c i l i a n o 提出了多柔性连杆的奇异点摄动控制法 模型，其基本方法与柔性关节连杆的控制方式相近似“”。 2 ) 输出量重新定义法( o u t p u tr e d e f i n i t i o na p p r o a c h ) 输出量重新定义法是克服非最小相位系统特性而广泛采用的另一种控制方 法，文献 2 5 中，系统的输出量被重新定义为柔性连杆端点位置的“反射” ( r e f l e c t e d ) ，以保证新的输入一输出状态变量下，零阶动力学系统的稳定。相 似的方法还可以选择关节和端点之间的点作为新的输出变量o “。 文献 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 均提出了基于输出量重新定义的线性化控制器 的设计方法，并应用于单柔性连卡下和双柔性连杆的控制。文献 3 1 儿3 2 3 3 给出 了一科t 基于传递函数零点配置的控制器设计方法，其主要改进在于增加一个并行 于系统的反馈补偿回路，使得在重新定义的输出量下，将零点配置于左半平面的 指定位置，这样保证了整个闭环系统的极点配置在希望的位置。 鲁棒控制( r o b u s tc o n t r 0 1 ) 前述的几大类控制方法，均建立在精确的数学模型基础上，其对模型中参数 的变化或控制过程中出现的二| 二扰无鲁棒性。随着控制技术的不断发展及对柔性结 构控制要求的不断提高，柔性连杆鲁棒控制的研究也取得了相应的进展。y e u n g 在滑模控制技术成功地应用于眺眭机械臂控铝, j f c j 基础上，提出了柔性机械臂滑模 控制的设计思想。其主要内容是：以滑模变结构控制器实现对非线性柔性机械臂 动力学系统的鲁棒线性反馈控制。”1 ，同时应用极点配置的方法实现对系统动态响 博士学位论文 第一章绪论 应过程的调节。x u 提出了基于参数模型的柔性机械臂直接控制方法。首先确定一 个与原系统同阶且所有极点均为负实数的传递函数作为原系统的参考模型，设计 基于参考模型的滑模控制器，最终完成对存在着不定参数的原系统的鲁棒控制 ”“”。文献 3 7 中，采用假设模态法，对带有末端载荷的柔性机械臂，推导出考 虑动力刚化影响的柔性机械臂有限维一致线性化动力学模型，通过极点配置技术 设计滑模超曲面参数，采用滑模变结构控制方法，实现关节转角的运动轨迹控制， 采用l q r 方法设计弹性模态稳态器，抑制由于刚体运动而激发的弹性振动。 自适应控制( a d a p t i v ec o n t r 0 1 ) b o d u r 提出了柔性机械臂端点位置控制的自适应控制器的设计。，其基本特 点是：依据l y a p u n o v 方法的鲁棒和自适应控制设计，将柔性机械臂简化成为一 系列以铰点相连的刚性杆件，然后以一定的解耦方式将整个系统分为以快一慢两 个时间刻度划分的两个部分，相应的控制器也分成两个部分设计。其中一部分是 控制柔性机械臂端点的运动轨迹，而另一部分主要是控制柔性机械臂的振动。l i n 提出了一种自适应控制和简单地反馈控制相结合的综合控制方法。首先将整个柔 性机械臂动力系统视为由相互耦合的两个系统组成，即关节子系统和柔性子系统 ( j o i n ts u b s y s t e m ，f l e x i b l es u b s y s t e m ) 。设计具有参数估计的自适应控制器 用于关节子系统的控制，以连杆端点的加速度或振动量作为反馈信号，来控制柔 性振动。由于多连杆柔性机械臂从关节处的驱动器到端点的动态特性是非最小 相位系统。因此，许多自适应控制技术不能应用到柔性机械臂上。 “反演控制”( b a c k s t e p p i n gc o n t r 0 1 ) “反演控制”策略是一种在线性反馈控制基础上发展的新的控制设计思想， 设计中保留了对控制有益的非线性项，同时引入了一些动态的非线性项以改善整 个系统的响应。“反演控制”设计方法已经在非线性变参数系统的控制设计中得 到了愈来愈广泛的应用。许多学者对“反演控制”设计技术在具有柔性关节的刚 性连杆机器手的控制进行了深入的研究，并取得了许多的应用成果“”“。”1 。在此 基础上，z h u 提出了“反演控制”设计应用于柔性连杆控制的设计思路。“反演 控制”设计并不能直接应用于柔性机械臂，这是因为：系统的输入数少于其自 由度：系统的非最小相位性。所以，在其控制器的设计中，将柔性机械臂简化 成弹簧质量系统，即以集中质量法建立适用于“反演控制”的动力学模型“3 1 。 为降低柔性体相对弹性变形的影响，选用各种耗能或储能材料设计臂的结构 以控制振动，或者在柔性臂上采用阻尼减振器、阻尼材料、复合型阻尼金属板、 阻尼合金或用粘性大阻尼材料形成附加阻尼结构，均属于被动阻尼控制n 4 “。 大多数的非线性控制方法是基于一定的数学模型，并且要求知道柔性机械臂 的动态信息，实际上这些信息很难获得。因此，柔性机械臂的智能控制，即在柔 6 博士学位论文 第一章绪论 性机械臂参数不确定的情况下，用非基于模型的智能控制策略来克服非确定参数 的扰动，也是目的学者研究的热门方向，并且也有一些相应的研究成果。在文献 4 7 4 8 4 9 5 0 中，作者对适用于传统p i d 控制自动调节的模糊控制器进行了 研究，并应用于两连杆柔性机械臂的振动控制中，这是一种模糊p i d 控制。文献 5 1 5 2 提出了基于神经网络的柔性机械臂的控制方法，用参考模型自适应技术 进行控制器的设计，同时给出了对单连杆柔性机械臂控制的计算机仿真和实验研 究成果。以上控制方法的综合形式，电得到了一定的研究。另外，对柔性关节机 械手的自适应控制做了一些研究工作，即在关节柔性未知的情况下，使关节位置 和速度跟踪误差收敛为零；此外，基于柔性关节的非冗余度情况，电迸行了鲁棒 控制和柔页控制的研究；同时有学者提出了一种基于关节空间和c a r t e s i a n 空间 的混合控制方案，论述了关节柔性引起的扰动和机械手“自运动”，以及二者的 关系。因为这些控制器的结构过于复杂，有一些还需要已知机器人不确定性上界 等先验知识，实际上存在一定的困难。目前还缺乏柔性机械臂动力学系统智能控 制方法与其它控制方法的对比研究。 1 4 液压臂架( h y d r a u fi cc r a n e s ) 的控制 全自动大型多连杆液压驱动机器人( 机械手) ，广泛地用于建筑和市政工程服 务等领域，如图卜3 所示的全自动液压树枝修剪机械手。液压臂架是这类机器人 的基础构件，其结构与机器人手臂或支腿相似。由于液压臂架往往在大范围运动、 图1 3 全自动液压树枝修剪机械手 重载的工况下工作，所以其特点是质量轻、长度尺寸大、端点载荷大，其固有的 博士学位论文 第一章绪论 弹性振动对运动和控制有相当大的影响，同时直线式驱动液压缸的非线性耦合作 用也是影响运动和控制的另一重要因素，因此液压臂架的动力学模型是一个高阶 的非线性系统”，是复杂的机械系统和液压系统相互耦合的多变量动力学系统。 目前提出的柔性液压臂架的控制多是基于线性模型基础上的，6 u n n a r s s o n 提 出的液压臂架系统的动力学模型中，将柔性机械臂架简化成以弹簧相联的两质量 块，整个系统的动力学模型含有6 个状态变量，输入和输出变量分剐是液压伺服 阀的控制电压和液压缸的位移及负载压力，不足之处在于该模型过于简单，没有 考虑液压缸之间的相互作用，因此不能同时对各个液压缸进行控制叫。k u n z e 同 样也采用将柔性机械臂架简化成质量一弹簧系统的方法。每一个臂架被近似为以 弹簧相连的四个质量块，模型精度得到提高，但计算量同时大幅度增加，实用性 不强6 “。l i n j a m a 给出了基于状态空问的液压臂架动力学模型。该多输入一多输 出( m i m o ) 系统，包括了柔性机械臂的振动模态及液压缸之问的简单耦合作用。 p a n z a 在研究单连杆液压臂架的柔性机械臂与液压缸相互耦合作用的基础 上，提出以位置反馈量调节液压系统参数来控制柔性机械臂振动的控制方式，并 进行了实验验证”“。k w o n 提出了负载补偿反馈控制器的设计方法，实现了液压 臂架端点对给定轨迹的跟踪控制。1 。 以上提到的各种液压柔性机械臂的建模及控制方法，属于线性控制设计，对 原来复杂的非线性动力学系统均作了一定的线性化近似，因此均不具有控制的鲁 棒性。无法适应参数的变化。而液压臂架在实际的使用中，存在着许多大范围变 化的参数。如臂架端点的载荷，温度变化引起的液压系统的泄漏量的变化，油液 压缩系数的变化，外界干扰等等，这些都将对控制系统产生影响。 y a o 在液压伺服系统的控制方面作了一定的研究工作，针对这一类同时存在 不确定参数和不确定非线性模型的动力系统，提出了自适应鲁棒控制( a d a p t i v e r o b u s tc o n t r o l ，a r c ) 设计方法。并将这一设计思想运用于单作用液压缸、双 作用液压缸的控制中，同时在三自由度的刚性液压机械手臂的控制中也得到了应 用。 1 5 本论文选题意义及研究重点 机器人的诞生及发展，无疑是2 0 世纪人类科学技术的重大成就。在不到4 0 年的时间内，机器人从无到有，现在已拥有“百万大军”。从一般制造工业用的 工业机器人到海洋丌发用的水下机器人，以及能在宇宙空问作业的空间机器人， 其应用领域十分广泛“。液压机械臂，由于具有机构简单、机械强度高和速度快 等特点，在机器人的基础部件机械臂中占有相当大的比重。而随着机械臂向 r 博士学位论文第一章 绪 论 弹性振动对运动和控制有相当大的影响，同时直线式驱动液压缸的非线性祸合作 用也是影响运动和控制的另一重要因素，因此液压臂架的动力学模型是一个高阶 的 非线性系 统(.w ， 是复杂的 机械系统和液 压系 统相互祸合的多 变量动力学系统。 目 前提出的柔性液压臂架的控制多是基于线性模型基础上的， g u n n a r s s o n 提 出的液压臂架系统的动力学模型中， 将柔性机械臂架简化成以弹簧相联的两质量 块，整个系统的动力学模型含有6 个状态变量， 输入和输出变量分别是液压伺服 阀的控制电压和液压缸的位移及负载压力，不足之处在于该模型过于简单，没有 考虑液压缸之间的 相互作用，因此不能同时对各个液压缸进行控制fi e k u n 二 同 样也采用将柔性机械臂架简化成质量一弹簧系统的方法。 每一个臂架被近似为以 弹簧相连的四 个质量块， 模型精度得到提高， 但计算量同 时大幅度增加，实用性 不强 圈o l i n j a m a 给出了 基于 状 态空 间的 液 压臂 架 动力 学 模型。 该多 输入 一多 输 出 ( m 工 m o ) 系统， 包括了 柔性机械臂的振动模态及液压缸之间的简单祸合作用。 p a n z a在研究单连杆液压臂架的柔性机械臂与液压缸相互祸合作用的基础 上， 提出以 位置反馈量调节液压系统参数来控制柔性机械臂振动的 控制方式， 并 进行了 实 验验证【w ., 71 a k w o 。 提出了 负载 补偿反 馈控制 器的 设 计方法， 实 现了 液压 臂架端点对给定轨迹的 跟踪控制 0 以 上提到的各种液压柔性机械臂的建模及控制方法， 属于线性控制设计， 对 原来复杂的非线性动力学系统均作了一定的线性化近似， 因 此均不具有控制的鲁 棒性。 无法适应参数的变化。 而液压臂架在实际的使用中， 存在着许多大范围 变 化的参数。 如臂架端点的载荷， 温度变化引起的液压系统的泄漏量的变化，油液 压缩系数的变化，外界干扰等等，这些都将对控制系统产生影响。 y a 。在液压伺服系统的控制方面作了一定的研究工作， 针对这一类同时存在 不确定参数和不确定非线性模型的动力系统， 提出了自 适应鲁棒控制 ( a d a p t i v e r o b u s t c o n t r o l , a r c ) 设计方法。并将这一 设计思想运用于单作用液压缸、 双 作用液压缸的控制中， 同时在三自由 度的刚性液压机械手臂的控制中也得到了 应 用5 8 n 9 (. 111 1 . 5本论文选题意义及研究重点 机器人的诞生及发展，无疑是2 0世纪人类科学技术的重大成就。在不到4 0 年的时间内，机器人从无到有，现在已 拥有 “ 百万大军” 。从一般制造工业用的 工业机器人到海洋开发用的水下机器人，以及能在宇宙空间作业的空间机器人， 其 应用领 域十分 广泛n 液 压机 械臂，由 于具有机构简 单、 机械强 度高 和速度快 等 特点， 在机器人的 基础部件 机械臂中占 有相当 大的比 重。而随 着机械臂向 博 十学位论文第一章 绪 论 高 速、轻质和高精度方向 化发展， 构件固 有弹性振动， 机械、液压动力系统的 藕 合作用，以及对控制的影响，将越来越突出。因此，柔性机械臂动力学建模和控 制的 研究一直是国内 外相关学术界的热门 课题。 从以 上的文献综述可知， 在柔性 机械臂建模上，其关键一点是对分布柔性的有限维近似。在这些近似方法中，主 要有当作分布参数系统来处理的假设模态法和当作集中参数系统来处理的有限 元法， 而对具有不确定参数 ( 包括驱动系统中的不确定参数)系统建模，是一个 重要的研究方向。在柔性机械臂的 控制研究中， 从简单的 p d控制到智能技术都 有相应的 应用。 但值得提出的是， 现有的研究工作绝大多数都是针对电 机驱动的 柔性 机械臂， 而 相对更为复 杂的 液压柔 性机 械臂系 统， 研究尚 不完善， 特别是国 内的文献资料中， 还未见 相关的内 容。 而大型机器人的 研制，大型工程机械的发 展， 己 经提出了 这个方面的 课题， 如中南大学与三一重工联合开展的8 6 3 项目 中， 就明确提出了液压柔性机械臂的研究。 本论文研究工作的选题 “ 液压柔性机械臂的动力学及控制研究” ，是以全自 动液压树枝修剪机械手的研制为工程背景，以液压柔性机械