Предпосылки исследования

В последние годы, с развитием робототехники, применение конструкций роботов с высокой скоростью, высокой точностью и высоким отношением нагрузки к весу привлекло большое внимание в отраслях промышленности и авиакосмической промышленности. Из-за увеличения эффекта гибкости суставов и звеньев в процессе движения конструкция деформируется, что снижает точность выполнения заданий. Следовательно, необходимо учитывать структурную гибкость робота-манипулятора, а также учитывать динамику системы, чтобы реализовать высокоточное и эффективное управление гибким манипулятором. Гибкий манипулятор - очень сложная динамическая система. Его динамическое уравнение имеет характеристики нелинейности, сильной связи и реального изменения. Создание его модели очень важно для изучения динамики гибкой руки. Гибкий манипулятор - это не только нелинейная система с жесткой гибкой связью, но и нелинейная система с электромеханической связью. Цель динамического моделирования - предоставить основу для описания системы управления и проектирования контроллера. Описание общей системы управления (включая описание пространства состояний во временной области и описание передаточной функции в частотной области) тесно связано с позиционированием датчика / исполнительного механизма, передачей информации от исполнительного механизма к датчику и динамическими характеристиками манипулятора.

Теория моделирования

Динамические уравнения гибкого манипулятора в основном устанавливаются с использованием двух наиболее представительных уравнений: уравнения Лагранжа и уравнения Ньютона-Эйлера. Кроме того, обычно используются вариационный принцип, принцип виртуального смещения и уравнение Кейна. Описание деформации гибкого тела является основой моделирования и управления системой гибких манипуляторов. Поэтому выбирается определенный способ описания деформации гибкого тела, и описание деформации тесно связано с решением уравнений динамики системы.

Деформацию гибкого тела можно описать следующим образом:

1) метод конечных элементов;

2) метод конечных отрезков;

3) метод модального синтеза;

4) Метод концентрированных масс.

кинетическое уравнение

Будь то непрерывные или дискретные динамические модели, их методы моделирования в основном основаны на двух основных методах: метод векторной механики и метод аналитической механики. Формула Ньютона-Эйлера, уравнение Лагранжа, вариационный принцип, принцип виртуального смещения и уравнение Кейна широко используются и разработаны.

стратегия контроля

Гибкий манипулятор обычно управляется следующими способами:

1) Жесткое обращение. Полностью игнорируется влияние упругой деформации конструкции на движение твердого тела. Например, чтобы избежать чрезмерной упругой деформации, нарушающей стабильность и точность конечного позиционирования гибкого манипулятора, максимальная угловая скорость дистанционно управляемого космического корабля НАСА составляет 0,5 град / с.

2) Метод прямой компенсации. Механическая вибрация, вызванная гибкой деформацией манипулятора, рассматривается как детерминированное вмешательство в жесткое движение, и для противодействия этому вмешательству используется метод прямой компенсации. Бернд Геблер из Германии изучал прямое управление промышленным роботом с упругим стержнем и упругим шарниром. Чжан Тиемин изучил метод устранения доминирующего полюса и нестабильности системы путем добавления нуля и разработал контроллер прямой связи с временной задержкой. По сравнению с ПИД-регулятором, он может более явно устранить остаточную вибрацию системы. Провидец Уоррен П. и другие ученые провели углубленное исследование технологии компенсации с прямой связью.

3) Управление обратной связью по ускорению. Хоррами Фаршад и Джайн Сандип изучили управление конечной траекторией гибкого манипулятора с помощью обратной связи по конечному ускорению.

4) Пассивный контроль демпфирования. Чтобы уменьшить влияние относительной упругой деформации гибкого тела, выбираются различные энергопотребляющие или аккумулирующие энергию материалы для создания конструкции рычага для управления вибрацией. Или использование демпфирующего амортизатора, демпфирующего материала, композитной демпфирующей металлической пластины, демпфирующего сплава или вязкоупругого большого демпфирующего материала для формирования дополнительной демпфирующей структуры на гибкой балке относится к пассивному управлению демпфированием. В последние годы большое внимание привлекло применение вязкоупругих больших демпфирующих материалов для контроля вибрации гибких манипуляторов. Росси Мауро и Ван Дэвид изучали пассивное управление гибкими роботами.

5) Метод управления с обратной связью по усилию. Управление вибрацией гибкого манипулятора с обратной связью по силе на самом деле является методом управления, основанным на анализе обратной динамики, то есть, согласно анализу обратной динамики, крутящий момент, приложенный к ведущему концу, получается посредством заданного движения на конце рычага, и крутящий момент компенсируется обратной связью посредством обнаружения движения или силы.

6) Адаптивное управление. Система разделена на объединенную подсистему и гибкую подсистему с использованием комбинированного адаптивного управления. Метод линеаризации параметров используется для разработки правил адаптивного управления для выявления неопределенных параметров гибкого манипулятора. Разработан следящий контроллер гибкого манипулятора с нелинейностью и неопределенностью параметров. Конструкция контроллера основана на конструкции робастного и адаптивного управления методом Ляпунова. Система разделена на две подсистемы посредством перехода состояний. Адаптивное управление и надежное управление используются для управления двумя подсистемами соответственно.

7) ПИД-регулирование. Как самый популярный и широко используемый контроллер, ПИД-регулятор широко используется для управления жесткими манипуляторами из-за своей простоты, эффективности и практичности. Он часто формирует самонастраивающийся ПИД-регулятор, регулируя усиление регулятора, или составную систему управления в сочетании с другими методами управления для повышения производительности ПИД-регулятора.

8) Управление переменной структурой. Система управления переменной структурой - это система управления с прерывистой обратной связью, в которой управление в скользящем режиме является наиболее распространенным управлением переменной структурой. Его характеристики: на переключаемой поверхности имеется так называемый скользящий режим. В скользящем режиме система остается нечувствительной к изменениям параметров и возмущениям. При этом его траектория находится на переключающей поверхности. Явление скольжения не зависит от параметров системы и имеет стабильные свойства. Конструкция регулятора переменной структуры не требует точной динамической модели манипулятора, а границы параметров модели достаточно для построения регулятора.

9) Нечеткое и нейросетевое управление. Это языковой контроллер, который может отражать особенности мышления людей в контрольной деятельности. Одна из его основных характеристик заключается в том, что при проектировании системы управления не требуется математическая модель управляемого объекта в общем смысле, а необходимы знания опыта и эксплуатационные данные операторов или экспертов.