一種基于振動觀測器的柔性機械臂振動控制方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種柔性機械操作臂，具體是一種基于振動觀測器的柔性機械臂振動 控制方法。
【背景技術】
[0002] 機械臂是現代工業(yè)領域非常重要的一類工具，由于機械臂負重大、工作范圍廣、自 動化程度高，在醫(yī)療器械、工業(yè)生產、航空領域得到了廣泛的應用。在低能耗、高精度、高效 率的要求下，機械臂技術不斷向著輕質、高速和高精度的方向發(fā)展。
[0003] 與剛性機械臂相比，柔性機械臂具有體積小、速度快、負載大等優(yōu)點，但是由于柔 性臂自身剛度小、模態(tài)頻率低的動力學特性，在運動中容易產生殘余振動，加上柔性臂結構 阻尼較小，振動將持續(xù)較長時間，嚴重影響系統的運動穩(wěn)定性和定位精度，并且頻繁的振動 會使系統結構產生疲勞破壞，降低系統的使用壽命。近年來，柔性臂的振動測量和控制具有 重要的理論和實際意義，得到了越來越多的關注。
[0004] 對柔性臂進行振動控制，通常的控制思路：利用傳感器對柔性臂振動信號進行測 量，通過設計合理有效的控制器構成反饋控制，實現振動抑制。目前常用的傳感器有加速度 傳感器、壓電傳感器、激光傳感器。但是利用加速度傳感器、壓電傳感器這類附著型傳感器 勢必會影響柔性臂的動態(tài)特性比如固有模態(tài)等，并且會使系統結構變得復雜，另外在某些 場合傳感器不易附加到柔性臂上；激光傳感器則有實際應用場合有限、成本高的缺點。

【發(fā)明內容】

[0005] 針對上述現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種基于振動觀測器的柔性機械臂振 動控制方法，在柔性臂的振動測試及控制過程中不需要添加傳感器，利用建立的柔性臂數 學模型以及實際系統的輸入和部分容易測量的輸出信號，模擬出其末端的振動信號，然后 通過有效的反饋控制手段使柔性臂快速穩(wěn)定地到達期望位置，并且進行振動控制。
[0006] 為了實現上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是：一種基于振動觀測器的柔性機械 臂振動控制方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟1 :建立柔性機械臂系統的數學模型，獲取系統的模型信息；
[0008] 根據假設模態(tài)法和拉格朗日原理，對柔性機械臂系統進行分析，建立動力學模型， 得到外部驅動力與柔性臂末端振動之間的關系，并將動力學模型轉化為狀態(tài)空間模型；
[0009] 步驟2 :設計振動觀測器；
[0010] 基于步驟1中建立的柔性臂狀態(tài)空間模型，設計振動觀測器；振動觀測器的輸入 包括原系統輸入控制力和利用位移傳感器測量的柔性臂固定端位移；輸出為原系統的狀態(tài) 變量，包括柔性臂固定端位移、柔性臂模態(tài)坐標及兩者的一階導數；
[0011] 步驟3 :設計狀態(tài)反饋積分控制器；
[0012] 對柔性機械臂系統設計狀態(tài)反饋控制器，針對狀態(tài)反饋控制器存在的靜差現象， 引入積分控制器；綜合振動觀測器輸出信號與系統期望信號得到誤差信號，利用狀態(tài)反饋 控制器與積分控制器得到控制量，實現軌跡跟蹤的同時抑制柔性臂的彈性振動；
[0013] 步驟4 :根據聯合仿真效果調整控制參數；
[0014] 在ADAMS中建立柔性臂物理模型，導入到MATLAB/SMULINK進行聯合仿真，若振動 觀測效果、控制效果不能滿足要求，返回步驟2、步驟3對振動觀測器增益及狀態(tài)反饋控制 器增益重新調節(jié)，直至控制效果達到要求；
[0015] 步驟5 :設計結束；
[0016] 經過上述各步驟后，設計結束。
[0017] 與現有的方法相比：本發(fā)明在柔性機械臂末端殘余振動進行測試和控制時，不需 要使用現有方法中的傳感器就能得到柔性臂末端的振動信號，簡化了系統結構，節(jié)約了成 本。本發(fā)明同時使用帶積分的狀態(tài)反饋控制器，在實現對系統動態(tài)特性有效調節(jié)的同時，能 夠實現無偏差的跟蹤指定輸入。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發(fā)明系統的實施例簡圖；
[0019] 圖2為本發(fā)明設計流程圖；
[0020] 圖3為振動觀測器設計簡圖；
[0021] 圖4為控制器結構示意圖；
[0022] 圖5為使用本發(fā)明的柔性臂機械臂末端振動跟蹤效果圖；
[0023] 圖6為使用本發(fā)明的柔性機械臂末端位移控制效果圖；
[0024] 圖7為使用本發(fā)明的柔性機械臂臂末端振動控制效果圖。
[0025] 圖中：1、電機驅動器，2、伺服電機，3、減速器，4、滾珠絲桿，5、光柵尺，6、滑塊，7、螺 栓，8、導軌，9、柔性機械臂，10、振動觀測器，11、狀態(tài)反饋積分控制器，12、運動控制卡。
【具體實施方式】
[0026] 下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0027] -種使用本發(fā)明方法的具體系統如圖1所示，伺服電機2通過減速器3、滾珠絲杠 4驅動滑塊6在導軌8上運動，柔性機械臂9的一端通過螺栓7與滑塊6剛性連接；滑塊6 位移利用光柵尺5進行測量，通過振動觀測器10對柔性機械臂9末端的振動信號進行觀 測。利用振動觀測器10得到的振動信號，通過狀態(tài)反饋積分控制器11得到控制信號，使用 運動控制卡12和電機驅動器1將控制信號輸出給伺服電機2,控制其運動，實現柔性機械臂 9末端定位的同時抑制殘余振動。
[0028] 如圖2所示，本發(fā)明實施例的具體技術方案的步驟流程如下：
[0029] 步驟1 :建立柔性機械臂9系統數學模型，獲取系統的模型信息；
[0030] 伺服電機2驅動的移動柔性機械臂9系統，工作原理如圖2所示；根據假設模態(tài)法 和拉格朗日原理，對伺服電機2驅動的移動柔性機械臂9系統進行分析，可得其動力學模型 如下：
【主權項】
1. 一種基于振動觀測器的柔性機械臂振動控制方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1 :建立柔性機械臂系統的數學模型，獲取系統的模型信息； 根據假設模態(tài)法和拉格朗日原理，對柔性機械臂系統進行分析，建立動力學模型，得到 外部驅動力與柔性臂末端振動之間的關系，并將動力學模型轉化為狀態(tài)空間模型； 步驟2 :設計振動觀測器； 基于步驟1中建立的柔性臂狀態(tài)空間模型，設計振動觀測器；振動觀測器的輸入包括 原系統輸入控制力和利用位移傳感器測量的柔性臂固定端位移；輸出為原系統的狀態(tài)變 量，包括柔性臂固定端位移、柔性臂模態(tài)坐標及兩者的一階導數； 步驟3 :設計狀態(tài)反饋積分控制器； 對柔性機械臂系統設計狀態(tài)反饋控制器，針對狀態(tài)反饋控制器存在的靜差現象，引入 積分控制器；綜合振動觀測器輸出信號與系統期望信號得到誤差信號，利用狀態(tài)反饋控制 器與積分控制器得到控制量，實現軌跡跟蹤的同時抑制柔性臂的彈性振動； 步驟4 :根據聯合仿真效果調整控制參數； 在ADAMS中建立柔性臂物理模型，導入到MATLAB/SMULINK進行聯合仿真，若振動觀測 效果、控制效果不能滿足要求，返回步驟2、步驟3對振動觀測器增益及狀態(tài)反饋控制器增 益重新調節(jié)，直至控制效果達到要求； 步驟5:設計結束； 經過上述各步驟后，設計結束。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于振動觀測器的柔性機械臂振動控制方法，包括以下步驟：步驟1：建立柔性機械臂系統的數學模型，獲取系統的模型信息；步驟2：設計振動觀測器；步驟3：設計狀態(tài)反饋積分控制器；步驟4：根據聯合仿真效果調整控制參數；步驟5：設計結束；本發(fā)明在柔性機械臂末端殘余振動進行測試和控制時，不需要使用現有方法中的傳感器就能得到柔性臂末端的振動信號，簡化了系統結構，節(jié)約了成本。本發(fā)明同時使用帶積分的狀態(tài)反饋控制器，在實現對系統動態(tài)特性有效調節(jié)的同時，能夠實現無偏差的跟蹤指定輸入。
【IPC分類】B25J13-08
【公開號】CN104589359
【申請?zhí)枴緾N201410821690
【發(fā)明人】李威, 鞠錦勇, 王禹橋, 劉玉飛, 楊雪鋒, 范孟豹, 魏華賢, 徐晗, 路恩, 須曉鋒, 盛連超, 董事
【申請人】中國礦業(yè)大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2014年12月25日