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廣皓天
近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)用高速度、高精度、高負(fù)載自重比的機(jī)器人結(jié)構(gòu)受到工業(yè)和航空航天領(lǐng)域的關(guān)注。由于運(yùn)動(dòng)過程中關(guān)節(jié)和連桿的柔性效應(yīng)的增加，使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形從而使任務(wù)執(zhí)行的精度降低。所以，機(jī)器人機(jī)械臂結(jié)構(gòu)柔性特征必須予以考慮，實(shí)現(xiàn)柔性機(jī)械臂高精度有效控制也必須考慮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性。
柔性機(jī)械臂是一個(gè)非常復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，其動(dòng)力學(xué)方程具有非線性、強(qiáng)耦合、實(shí)變等特點(diǎn)。而進(jìn)行柔性臂動(dòng)力學(xué)問題的研究，其模型的建立是極其重要的。柔性機(jī)械臂不僅是一個(gè)剛?cè)狁詈系姆蔷€性系統(tǒng)，而且也是系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性與控制特性相互耦合即機(jī)電耦合的非線性系統(tǒng)。
對(duì)柔性機(jī)械臂的控制一般有如下方式：
1、剛性化處理。完全忽略結(jié)構(gòu)的彈性變形對(duì)結(jié)構(gòu)剛體運(yùn)動(dòng)的影響。例如為了避免過大的彈性變形破壞柔性機(jī)械臂的穩(wěn)定性和末端定位精度，NASA的遙控太空手運(yùn)動(dòng)的最大角速度為0.5deg/s。
2、前饋補(bǔ)償法。將機(jī)械臂柔性變形形成的機(jī)械振動(dòng)看成是對(duì)剛性運(yùn)動(dòng)的確定性干擾而采用前饋補(bǔ)償?shù)霓k法來抵消這種干擾。德國的Bernd Gebler研究了具有彈性桿和彈性關(guān)節(jié)的工業(yè)機(jī)器人的前饋控制。張鐵民研究了基于利用增加零點(diǎn)來消除系統(tǒng)的主導(dǎo)極點(diǎn)和系統(tǒng)不穩(wěn)定的方法，設(shè)計(jì)了具有時(shí)間延時(shí)的前饋控制器，和PID控制器比較起來，可以更加明顯的消除系統(tǒng)的殘余振動(dòng)。
3、加速度反饋控制。Khorrami FarShad和Jain Sandeep研究了利用末端加速度反饋控制柔性機(jī)械臂的末端軌跡控制問題。
4、被動(dòng)阻尼控制。為降低柔性體相對(duì)彈性變形的影響 選用各種耗能或儲(chǔ)能材料設(shè)計(jì)臂的結(jié)構(gòu)以控制振動(dòng)?；蛘咴谌嵝粤荷喜捎米枘釡p振器、阻尼材料、復(fù)合型阻尼金屬板、阻尼合金或用粘彈性大阻尼材料形成附加阻尼結(jié)構(gòu)均屬于被動(dòng)阻尼控制。近年來，粘彈性大阻尼材料用于柔性機(jī)械臂的振動(dòng)控制已引起高度重視。
5、力反饋控制法。柔性機(jī)械臂振動(dòng)的力反饋控制實(shí)際上是基于逆動(dòng)力學(xué)分析的控制方法，即根據(jù)逆動(dòng)力學(xué)分析，通過臂末端的給定運(yùn)動(dòng)求得施加于驅(qū)動(dòng)端的力矩，并通過運(yùn)動(dòng)或力檢測(cè)對(duì)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行反饋補(bǔ)償。
6、自適應(yīng)控制。采用組合自適應(yīng)控制，將系統(tǒng)劃分成關(guān)節(jié)子系統(tǒng)和柔性子系統(tǒng)。利用參數(shù)線性化的方法設(shè)計(jì)自適應(yīng)控制規(guī)則來辨識(shí)柔性機(jī)械臂的不確定性參數(shù)。對(duì)具有非線性和參數(shù)不確定性的柔性機(jī)械臂進(jìn)行了跟蹤控制器的設(shè)計(jì)?？刂破鞯脑O(shè)計(jì)是依據(jù)Lyapunov方法的魯棒和自適應(yīng)控制設(shè)計(jì)。通過狀態(tài)轉(zhuǎn)換將系統(tǒng)分成兩個(gè)子系統(tǒng)。用自適應(yīng)控制和魯棒控制分別對(duì)兩個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。
7、PID控制。PID控制器作為最受歡迎和最廣泛應(yīng)用的控制器，由于其簡(jiǎn)單、有效、實(shí)用，被普遍地用于剛性機(jī)械臂控制，常通過調(diào)整控制器增益構(gòu)成自校正PID控制器或與其它控制方法結(jié)合構(gòu)成復(fù)合控制系統(tǒng)以改善PID控制器性能。
8、變結(jié)構(gòu)控制。變結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)是一種不連續(xù)的反饋控制系統(tǒng)，其中滑?？刂剖亲钇毡榈淖兘Y(jié)構(gòu)控制。其特點(diǎn)：在切換面上，具有所謂的滑動(dòng)方式，在滑動(dòng)方式中系統(tǒng)對(duì)參數(shù)變化和擾動(dòng)保持不敏感，同時(shí)，它的軌跡位于切換面上，滑動(dòng)現(xiàn)象并不依賴于系統(tǒng)參數(shù)，具有穩(wěn)定的性質(zhì)。變結(jié)構(gòu)控制器的設(shè)計(jì)，不需要機(jī)械臂精確的動(dòng)態(tài)模型，模型參數(shù)的邊界就足以構(gòu)造一個(gè)控制器。
9、模糊與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制。是一種語言控制器，可反映人在進(jìn)行控制活動(dòng)時(shí)的思維特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)之一是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并不需要通常意義上的被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，而是需要操作者或?qū)＜业慕?jīng)驗(yàn)知識(shí)、操作數(shù)據(jù)等。
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