针对低刚度机构和连杆之间的耦合转矩引起的机械振动问题,提出了一种适用于谐波齿轮传动柔性双连杆机械臂的解耦定位控制方法。首先,构建了双连杆三惯量机械臂的物理模型。然后,对传统2自由度(2-DOF)控制框架中的性能恶化问题进行了分析。其次,将机械臂近似为线性双连杆双惯性系统并引入多输入多输出系统的解耦器来实现解耦,并构造了基于半闭环结构的2-DOF串联控制系统,以便补偿传动系统中的角传动误差。以两个典型多连杆运动为例,对所提解耦定位控制方法的有效性进行了验证。研究结果表明,相比于准全闭环控制和带角传动误差补偿的半闭环控制,所提解耦控制方法在位置和扭矩波形上均表现出了更好的振动抑制效果,获得了±0.1 mm的精度和0.1 s的稳定时间,有助于构建柔性双连杆机械臂的高性能定位系统。

为了减小柔性机械臂转动时的振动和调节时间,实现柔性机械臂的精确控制,设计了自适应滑模-H∞鲁棒组合控制器。使用奇异摄动法建立了柔性机械臂系统的双时标模型。对于慢时变子系统,设计了幂次随系统状态自适应调整的趋近律,得到了基于自适应滑模变结构的慢时变子系统控制方法;对于快时变子系统,考虑到模型不确定问题,设计了γ次优H∞鲁棒控制器;将自适应滑模控制器与H∞鲁棒控制器进行组合,得到针对双时标模型的组合控制器。经仿真验证,对于刚性机械臂的阶跃输入,自适应滑模控制器的调节时间和超调量小于传统幂次趋近滑模控制器;对于模型不确定的柔性机械臂系统,组合控制器的振动幅度小、调节时间短、鲁棒性强,验证了H∞鲁棒控制器在柔性机械臂控制中的优越性。

现有刚性机械手无法满足对易碎和软质物体的抓取,无法适应混流生产线。柔性抓手具有高自由度和自适应能力,故设计一种纤维增强型柔性指节,可组装制备柔性抓手。本文介绍了纤维增强型柔性指节的制备方法和工艺流程,制备了一套纤维增强型柔性指节实物。指节主体为硅胶材质,使用碳纤维布作为限制层,使用车胎帘线作为纤维增强层。使用自行搭建的测试环境和压力驱动控制器,对柔性指节的弯曲半径和接触推力进行测试,试验结果表明该柔性指节能够在50-90 kPa时产生明显的弯曲效果和较好的接触推力,满足抓取需求。具有良好的自适应性和可靠性,适合用于抓捕工作。

针对具有末端附加质量的柔性机械臂弹性振动问题,提出采用基于遗传算法的线性二次型控制方法对其进行抑振控制。首先分析了柔性机械臂的弹性变形问题,采用假设模态法描述弹性变形并基于Lagrange方程建立具有末端集中质量的柔性机械臂动力学模型。其次,推导出系统的控制模型,采用线性二次型最优控制对柔性机械臂系统进行抑振控制,并用遗传算法优化线性二次型性能指标函数中的加权矩阵。仿真实验结果表明,与传统的经验值相比,优化后的控制方法能有效衰减末端弹性振动,柔性机械臂系统端部定位速度更快,验证了该方法的可行性。

为了提高柔性机械臂控制精度,文章设计了区分快变子系统与慢变子系统的组合控制器。使用拉格朗日方程和假设模态法建立了动态方程,使用奇异摄动分解法将系统分为快变子系统与慢变子系统;提出了自适应滑膜变结构控制,设计慢变子系统控制器;使用极值原理求解了快变子系统最优控制问题,从而给出了快慢变子系统组合控制。通过仿真验证,相比于传统滑膜变组合控制,自适应组合控制器的调节时间短、跟踪过程无震荡,且自适应组合控制器输出平滑无抖振。

将液压柔性机械臂系统分为相互耦合的两个部分，即柔性机械臂和液压伺服驱动系统，并通过一个驱动Jacobian矩阵构建其耦合关系。将作用于机械臂上的力视为一虚拟输入，运用奇异摄动法将柔性机械臂的模型分解为快慢两个子系统，其中慢变子系统控制器完成对期望轨迹的跟踪，而快变子系统控制器抑制柔性臂的振动。在此基础上，采用反演控制设计方法，得到液压伺服阀的位移控制律，使液压油缸的实际输出力完全满足柔性臂所需要的驱动力。数字仿真的结果验证了设计控制器的正确性和有效性。