Research on Vibration Suppression of the Flexible Joint Manipulator

Abstract

本文以空间站在研项目“空间站手套箱机械臂系统研制”、国家科技重大专项“大型薄壁高精度搅拌摩擦焊设备技术研究”、中科院先导专项“空间站机械臂研制”以及国家自然科学基金为依托，研究了柔性关节机械臂的振动抑制问题。首先梳理出了导致振动产生的原因，然后基于通用的柔性关节机械臂动力学模型，从轨迹平滑、前馈补偿、轨迹优化、动力吸振以及消隙抑振的角度，提出了系统的振动抑制方法与策略，分析了抑振效果，并通过实验验证了抑振方法的有效性。本文研究内容主要包括以下几个方面：（1）首先阐述了柔性关节机械臂的动力学建模方法，利用多自由度系统振动理论推导了柔性关节机械臂的振动计算公式，提出了柔性关节机械臂振动抑制的总体策略。（2）搭建了一套轻型柔性关节机械臂，并辨识了关节阻尼与摩擦参数。构建了柔性关节机械臂的控制系统模型，仿真计算了四种控制模式下的机械臂轨迹误差与振动响应，分析了连杆动力学与关节摩擦力对轨迹精度与振动响应的影响。实验验证了机械臂的位置控制性能，并比较了三次样条与五次样条平滑插值对机械臂振动响应的影响。（3）提出了将最优S曲线规划方法应用于柔性关节机械臂中，用以抑制机械臂在高速点到点运动中的残余振动。通过S曲线规划方法，构造各关节的运动轨迹，以机械臂末端点到达目标点处残余振动的最大振幅为抑制目标，以各关节S曲线参数为优化参数，利用遗传算法计算获得了机械臂的最优轨迹，并分析了该算法相对于机械臂主要动力学参数误差的鲁棒性，实验验证了最优S曲线对残余振动抑制的有效性。（4）针对柔性关节机械臂难以附加阻尼的问题，提出了在机械臂末端附加三维动力吸振器以增加系统阻尼的方法。推导了柔性关节机械臂与动力吸振器的耦合动力学方程，阐述了动力吸振器的设计方法，仿真分析了单个吸振器与多吸振器的抑振效果，以及吸振控制方法的鲁棒性。通过实验验证了动力吸振器抑振机械臂振动的有效性。（5）分析了传动机构中的齿隙导致的柔性关节振动现象，提出了采用双电机主动消隙的方法抑制齿隙导致的柔性关节振动，以重载搅拌摩擦焊机器人腕关节为例，推导了双电机驱动的含齿隙柔性关节动力学方程，构建了双电机主动消隙的控制系统模型，仿真分析了主动消隙的抑振效果与鲁棒性，并在重载搅拌摩擦焊机器人上实验验证了消隙抑振的有效性。</p