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基于谱方法的刚柔机械手模型降维与控制研究

作　者: 潘云
导　师: 邓华
学　校: 中南大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 刚柔机械手实验平台动力学建模谱方法降维轨迹控制实验验证
分类号: TP241
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着科技的发展,国防、工业等应用领域对装备机构的灵活性、运行速度和运行精度等要求越来越高,轻质和柔性结构在工程中的应用越来越多；由此构成了柔性多体动力学系统或刚柔耦合动力学系统,柔性机械臂是这类系统的典型代表之一。由于其在航空航天、机器人等许多国防工业领域有着强烈的工程应用背景,因此对其进行动力学建模、模型降维与轨迹控制的相关研究具有重要的理论意义和实际应用价值。在充分借鉴当前柔性多体系统的研究成果可知,采用空间离散方法得到的柔性多体动力学模型的维数一般较高；为了得到便于系统动态分析与控制研究的较高精度的低维近似模型,提出了基于谱方法时空分离及Galerkin截断理论的模型降维方法对柔性多体动力学模型进行降维。论文中设计并搭建了刚柔机械手实验平台,并以此为研究对象对其动力学建模、模型降维及轨迹控制等方面进行探索与实践并开展相关实验研究,具体研究工作总结如下：(1)根据研究对象及目的设计了刚柔机械手实验平台的整体方案,建立并确定了其三维立体模型以及驱动方案；并对设计的机械手实验台的运动学、活动空间进行了研究分析。(2)以机械手实验台中的刚-柔双连杆臂组成的刚柔耦合的无穷维分布参数系统作为研究对象,采用Lagrange方程法求得偏微分方程形式的系统动力学方程。采用基于谱方法时空分离及Galerkin截断理论的模型降维方法对得到的连续无穷维的动力学方程进行降维,得到能较好地表示刚柔耦合系统变形等特征的低维高精度近似模型。然后对刚-柔双连杆臂的刚柔耦合特性进行了仿真分析。(3)针对刚-柔双连杆臂模型的非最小相位特性、参数时变、强非线性等情况,通过输出重定义方法消除系统末端输出的非最小相位特性,然后采用输入输出线性化将动力学模型部分线性化,使之分成输入输出子系统和内动态子系统两部分；输入输出子系统采用逆动态滑模控制器,内动态子系统采用状态反馈控制器进行镇定。经过仿真研究,结果表明该控制策略具有良好的动态性能和鲁棒性能。(4)在已搭建的刚柔机械手实验平台上进行了相关实验研究,实验结果验证了基于谱方法与Galerkin截断理论的模型降维得到的低维近似动力学模型的有效性。本文的研究结果为工程实际中类似对象的建模、模型降维与控制提供了一定的参考。由于柔性多体动力学系统的动力学建模、降维与控制等问题是极具挑战性的研究课题,许多方面和问题还需要进一步深入研究与探讨。

全文目录

摘要  3-5
ABSTRACT  5-10
第一章绪论  10-21
  1.1 引言  10-11
  1.2 国内外研究现状  11-13
    1.2.1 柔性多体动力学系统的研究对象及现状  11-12
    1.2.2 柔性机械臂的研究现状  12-13
  1.3 柔性机械臂动力学建模基本理论  13-17
    1.3.1 柔性体的运动描述  13-14
    1.3.2 建模方法  14-15
    1.3.3 模型降维方法  15-17
  1.4 柔性机械臂的控制研究进展情况  17-20
    1.4.1 被动控制  17-18
    1.4.2 主动控制  18-20
  1.5 本文的主要工作  20-21
第二章刚柔机械手实验台设计  21-34
  2.1 引言  21
  2.2 总体方案  21-22
    2.2.1 机械手实验台基本动作设计  21-22
    2.2.2 机械手驱动方案  22
  2.3 机械手实验台的三维建模  22-24
  2.4 关键部件校核  24-26
  2.5 机械手运动学基础  26-32
    2.5.1 位姿描述  26-28
    2.5.2 连杆坐标变换  28-29
    2.5.3 机械手连杆变换矩阵  29-30
    2.5.4 运动学分析  30-31
    2.5.5 刚柔机械手活动空间  31-32
  2.6 本章小结  32-34
第三章刚柔机械手动力学建模  34-55
  3.1 引言  34
  3.2 模型假设与简化  34-35
  3.3 刚柔机械手运动描述  35-36
  3.4 动力学方程建立  36-48
    3.4.1 系统的总动能与总势能  37-38
    3.4.2 动力学方程的推导  38-40
    3.4.3 模型降维  40-48
  3.5 仿真试验  48-54
  3.6 本章小结  54-55
第四章刚-柔双连杆臂机械手轨迹跟踪控制  55-71
  4.1 引言  55
  4.2 轨迹跟踪控制设计  55-63
    4.2.1 系统动力学模型  55-56
    4.2.2 系统输出重定义  56-57
    4.2.3 输入/输出部分线性化  57-58
    4.2.4 轨迹跟踪控制  58-60
    4.2.5 控制器仿真  60-63
  4.3 系统仿真分析  63-70
    4.3.1 阶跃响应  63-66
    4.3.2 正弦跟踪  66-67
    4.3.3 鲁棒性能  67-70
  4.4 本章小结  70-71
第五章刚柔机械手实验平台搭建与实验研究  71-83
  5.1 引言  71
  5.2 实验仪器与设备  71-73
  5.3 实验平台  73-79
    5.3.1 实验台装置  73-74
    5.3.2 实验台硬件部分  74-75
    5.3.3 实验台软件部分  75-76
    5.3.4 实验测试原理  76-79
  5.4 实验研究  79-82
    5.4.1 实验目的  79
    5.4.2 实验过程  79
    5.4.3 数据采集  79-81
    5.4.4 实验结果分析  81-82
  5.5 本章小结  82-83
第六章全文总结与展望  83-85
参考文献  85-89
致谢  89-90
攻读硕士期间的主要研究成果  90

基于谱方法的刚柔机械手模型降维与控制研究

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