论文总字数：18443字

摘 要

在控制界，关于机器人的柔性部件的研究已有20余年的历史，特别是近十年来由于机器人技术不断向高速度、高精度和轻型化方向发展，柔性机械臂大量涌现。与刚性机械臂相比较而言，柔性机械臂具有结构轻、载重/自重比高等特性，因而具有较低的能耗、较大的操作空间和很高的效率，其响应快速而准确，有着很多潜在的优点。

本文的研究对象是一类带有旋转关节的单连杆柔性机械臂模型，通过设计控制器使得该机械臂在扰动的干扰下各状态收敛至平衡位置。首先，通过Lagrange原理建立一类带有旋转关节的单连杆机械臂的数学模型。其次，基于近似线性化方法得到柔性机械臂的线性数学模型，接下来基于以上线性数学模型设计了状态反馈控制器，并在Matlab仿真软件Simulink环境中验证了控制器的控制性能。最后，基于有限拍控制方法设计了有限时间控制器，并通过仿真实验分析比较了控制器的控制性能。

关键词：柔性机械臂 线性化 状态反馈控制 有限拍控制

Flexible manipulator Control Method

Abstract

The research on the flexible robot parts has 20 years of history, especially in the last ten years, due to the development of the robot technology, the robot technology has been developing in high speed, high precision and light direction, many flexible manipulators are appeared. compared with the rigid manipulator, flexible manipulator has the advantages of light structure, load / weight ratio higher characteristic, so it has low energy consumption, large operation space and high efficiency, its response is fast and accurate, a number of potential advantages.

Research object of this paper is - a class of single-link flexible manipulator model with rotary joint, the researchers hope to design a controller so that the manipulator in each state interference disturbance convergence to equilibrium position. firstly, create a class of mathematical model of single-link manipulator with rotating joints by Lagrange principle. secondly, based on the linear approximation method to obtain linear mathematical model of flexible manipulator, then more linear mathematical model based on the design of the state feedback controller, and verify the control performance of the controller in simulation software Matlab Simulink environment. finally, the finite time controller is designed based on the finite beat control method, and the control performance of the controller is analyzed by simulation experiments.

Key words: Flexible manipulator; Linearization; Status feedback control; Finite time control; System simulation

目录

摘要 I

Abstract II

目录 III

第一章 绪 论 1

1.1柔性机械臂的概述 1

1.2柔性机械臂研究目的和意义 2

1.3柔性机械臂的研究现状 2

1.4柔性机械臂的控制方法概述 3

1.4.1 主动控制 3

1.4.2 被动控制 4

1.5本文研究的主要内容 5

第二章 柔性机械臂的数学模型 6

2.1 研究对象的描述 6

2.2 柔性机械臂数学模型的建立 6

第三章 状态反馈控制器的设计及仿真实现 9

3.1非线性系统的线性化方法概述 9

3.2基于近似线性化模型的状态反馈控制器 9

3.2.1柔性机械臂数学模型的近似线性化 9

3.2.2基于近似线性化模型的状态反馈控制器设计 10

3.3仿真实验 13

3.3.1 Matlab Simulink软件介绍 13

3.3.2状态反馈控制器仿真实现 14

第四章 有限拍控制器的设计与仿真 17

4.1有限拍控制方法概述 17

4.2有限拍控制器设计 18

4.2.1仿真实验 19

4.2.2比较两种控制器的控制性能 21

结 语 25

参考文献 26

致 谢 28

第一章 绪 论

1.1柔性机械臂的概述

在控制界，关于机器人的柔性部件的研究已有20余年的历史，特别是近十年来由于机器人技术不断向高速度、高精度和轻型化方向发展，柔性机械臂系统应用而生。和刚性的机械臂系统相比而言，柔性的机械臂具有负载重/自重比高、结构轻等优点，同时还具备很高的效率、比较大的可操作空间和较低的能耗，而且它能快速而准确的响应，除此之外，它还有着很多潜在的优点。以柔性的机械臂作为典型范例，在进行动力学建模与控制方法研究^[1]的时候除了需要考虑关节的弹性还需要考虑到部件的弹性对机械臂系统的影响，因此柔性机械臂建模与控制问题受到了人们广泛的关注。比如在航天器材中机械臂的长度达到了几十英尺，但它的跟踪轨迹精确度却被要求在0.2mm的范围内；高速激光切割的机器人在它工作过程中它的末端的操作器最大加速度仍然可以达到3-5g等。

部件从传统的刚性模型发展柔性模型，发生了质的变化，研究机械臂动力学和控制方法与理论已经不能简单地沿用以前的多刚体分析方法^[2]。目前，已经有很多专家和学者的文献，反映了对于柔性机械臂的建模的原理和方法以及模型试验、数据的仿真等方面的成果，同时人们也开始注意到究竟哪些方法和原理对实际计算和应用过程的效率最佳，然而，关于哪些是获取动力学控制方程的最好的方法等问题依然存在着很多分歧，各种方法都有着各自的理由。尤其在研究一些深层次的问题上还不够。

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