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基于Lagrange的柔性关节机械臂控制策略的研究

作 者: 夏小品
导 师: 王海
学 校: 安徽工程大学
专 业: 机械制造及其自动化
关键词: 柔性关节机械臂 反演控制 李雅普络夫稳定性 轨迹跟踪控制 外部干扰 阻抗控制
分类号: TP241
类 型: 硕士论文
年 份: 2013年
下 载: 26次
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内容摘要


传统的刚性机械臂研究方法有一定的局限性,即将各个部件看成刚性体,而实际的机械臂并非纯刚体系统。随着机械臂技术的发展,人类的工作和生活与机械臂越来越密切,为了更好完成任务、与环境交互,对机械臂的控制提出了更高的指标,要求精确的轨迹跟踪和阻抗控制。机械臂的动力学是机械臂控制的基础,主要研究关节的驱动力矩与机械臂运动之间的关系,由于关节柔性的存在对机械臂系统动力学产生显著的影响。本文研究了机械臂关节柔性的等效模型,基于solidworks软件搭建出四自由度机械臂的简化三维模型,利用Lagrange能量法推导出四自由度柔性关节机械臂动力学数学模型和外部干扰下的数学模型,然后推导出单连杆柔性关节机械臂的传递函数,利用PID控制器进行轨迹控制。同时,依据反演控制方法和神经网络反演控制方法设计出轨迹跟踪控制器,基于Lyapunov稳定性理论验证了控制器设计的稳定性,利用MATLAB仿真软件对控制器进行仿真,验证其设计的合理性。同理,依据反演滑模控制算法设计了外部干扰下的非线性控制器,基于Lyapunov稳定性理论验证了控制器设计的稳定性,利用MATLAB仿真软件对两自由柔性关节机械臂进行数值仿真,验证其设计的合理性。最后,建立笛卡尔阻抗下的柔性关节机械臂动力学方程;提出动态面反演法控制策略,并与传统的反演法作比较,解决了传统反演法的“系数膨胀”问题,基于Lyapunov稳定性理论进行稳定性分析。

全文目录


摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章 绪论  10-19
  1.1 引言  10-14
    1.1.1 本文研究的目的和意义  10-11
    1.1.2 机械臂的国内外研究现状  11-14
  1.2 机械臂的动力学建模方法综述  14-15
  1.3 柔性关节机械臂的控制综述  15-18
  1.4 论文主要工作和章节安排  18-19
第2章 柔性关节机械臂的运动学/动力学建模  19-32
  2.1 引言  19
  2.2 柔性关节机械臂动力学建模  19-21
    2.2.1 拉格朗日方程的动力学算法  19-20
    2.2.2 柔性关节机械臂的动力学建模综述  20-21
  2.3 四自由度关节机械臂的组成  21-22
  2.4 四自由度柔性关节机械臂的运动学建模  22-25
  2.5 基于Lagrange方程的柔性关节机械臂动力学建模  25-29
    2.5.1 建模过程中关节柔性的等效模型  25-26
    2.5.2 柔性关节机械臂的完整模型  26
    2.5.3 四自由度柔性关节机械臂的动力学建模  26-29
  2.6 柔性关节机械臂的Simulink仿真  29-31
  2.7 本章小结  31-32
第3章 柔性关节机械臂的轨迹控制  32-50
  3.1 引言  32-34
    3.1.1 反演法介绍  32-33
    3.1.2 李雅普诺夫(Lyapunov)稳定性理论  33-34
  3.2 单连杆柔性关节PID控制及仿真  34-35
    3.2.1 单柔性关节性能分析  34-35
    3.2.2 PID仿真结果  35
  3.3 单连杆柔性关节反演控制器设计及仿真  35-39
    3.3.1 单连杆柔性关节机械臂反演控制器设计  35-37
    3.3.2 基于MATLAB的反演控制器仿真  37-39
  3.4 柔性关节神经网络反演控制器设计及仿真  39-48
    3.4.1 基本反演控制器的设计  39-42
    3.4.2 神经网络反演控制器的设计  42-46
    3.4.3 基于MATLAB的神经网络反演控制器的仿真  46-48
  3.5 本章小结  48-50
第4章 柔性关节机械臂非线性控制策略研究  50-59
  4.1 引言  50
  4.2 考虑外部干扰的柔性关节机械臂动力学模型  50-51
  4.3 柔性关节机械臂反演滑模控制系统设计及稳定性分析  51-55
    4.3.1 滑模控制方法介绍  51-52
    4.3.2 柔性关节机械臂反演滑模控制器设计及稳定性分析  52-55
  4.4 柔性关节机械臂反演滑模控制仿真  55-58
  4.5 本章小结  58-59
第5章 柔性关节机械臂阻抗控制  59-72
  5.1 引言  59-60
  5.2 刚性和柔性机械臂阻抗控制操作空间介绍  60-64
    5.2.1 刚性机械臂阻抗控制的操作空间法  60-62
    5.2.2 柔性关节机械臂操作空间法  62-64
  5.3 基于反演法的笛卡尔阻抗控制柔性关节机械臂  64-71
    5.3.1 基于反演法的笛卡尔阻抗控制器设计  67-69
    5.3.2 基于动态面控制的笛卡尔阻抗控制器设计  69-70
    5.3.3 稳定性分析  70-71
  5.4 本章小结  71-72
第6章 结论与展望  72-74
  6.1 本文工作总结  72
  6.2 未来研究展望  72-74
参考文献  74-77
攻读硕士学位期间所发表的学术论文和成果目录  77
  已发表论文  77
  在学期间参加的科研项目  77

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机械手
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