機械臂

機械臂是指高精度，多輸入多輸出、高度非線性、強耦合的複雜系統。因其獨特的操作靈活性, 已在工業裝配, 安全防爆等領域得到廣泛套用。

機械臂是一個複雜系統, 存在著參數攝動、外界干擾及未建模動態等不確定性。因而機械臂的建模模型也存在著不確定性，對於不同的任務, 需要規劃機械臂關節空間的運動軌跡，從而級聯構成末端位姿。

基本介紹

• 中文名：機械臂
• 外文名：Mechanical arm
• 簡介：高精度、高速點膠機器手
• 套用學科：機械工程、農業工程等
• 套用領域：工業裝配、安全防爆
• 實質：多輸入多輸出複雜系統

機械臂系統

機器人系統是由視覺感測器、機械臂系統及主控計算機組成，其中機械臂系統又包括模組化機械臂和靈巧手兩部分。整個系統的構建模型如圖1 所示．

機械臂建模模型

不確定性主要分為兩種主要類型:結構(structured)不確定性和非結構(unstructured)不確定性, 非結構不確定性主要是由於測量噪聲、外界干擾及計算中的採樣時滯和捨入誤差等非被控對象自身因素所引起的不確定性。結構不確定性和建模模型本身有關, 可分為

系統模型

①參數不確定性　如負載質量、連桿質量、長度及連桿質心等參數未知或部分已知。

②未建模動態　高頻未建模動態, 如執行器動態或結構振動等;低頻未建模動態, 如動/靜摩擦力等。

模型不確定性給機械臂軌跡跟蹤的實現帶來影響, 同時部分控制算法受限於一定的不確定性。目前套用於機械臂控制系統的設計方法主要包括PID控制、自適應控制和魯棒控制等, 然而由於它們自身所存在的缺陷, 促使其與神經網路、模糊控制等算法相結合, 一些新的控制方法也在湧現, 很多算法是彼此結合在一起的。

柔性機械臂

研究背景

近年來，隨著機器人技術的發展，套用高速,、高精度, 高負載自重比的機器人結構受到工業和航空航天領域的關注。由於運動過程中關節和連桿的柔性效應的增加，使結構發生變形從而使任務執行的精度降低。所以，機器人機械臂結構柔性特徵必須予以考慮，實現柔性機械臂高精度有效控制也必須考慮系統動力學特性。柔性機械臂是一個非常複雜的動力學系統，其動力學方程具有非線性, 強耦合, 實變等特點。而進行柔性臂動力學問題的研究，其模型的建立是極其重要的。柔性機械臂不僅是一個剛柔耦合的非線性系統，而且也是系統動力學特性與控制特性相互耦合即機電耦合的非線性系統。動力學建模的目的是為控制系統描述及控制器設計提供依據。一般控制系統的描述( 包括時域的狀態空間描述和頻域的傳遞函式描述) 與感測器/ 執行器的定位，從執行器到感測器的信息傳遞以及機械臂的動力學特性密切相關。

建模理論

柔性機械臂動力學方程的建立主要是利用Lagrange方程和NeWton-Euler 方程這兩個最具代表性的方程。 另外比較常用的還有變分原理, 虛位移原理以及Kane方程的方法。 而柔性體變形的描述是柔性機械臂系統建模與控制的基礎。因此因首先選擇一定的方式描述柔性體的變形，同時變形的描述與系統動力學方程的求解關係密切。

柔性體變形的描述主要有以下幾種：

1) 有限元法；

2) 有限段法；

3) 模態綜合法；

4) 集中質量法；

動力學方程的建立

無論是連續或離散的動力學模型，其建模方法主要基於兩類基本方法：矢量力學法和分析力學法。套用較廣泛同時也是比較成熟的是Newton-Euler 公式、Lagrange 方程、變分原理、虛位移原理和Kane 方程。

控制策略

對柔性機械臂的控制一般有如下方式,

1) 剛性化處理。完全忽略結構的彈性變形對結構剛體運動的影響。 例如為了避免過大的彈性變形破壞柔性機械臂的穩定性和末端定位精度 NASA 的遙控太空手運動的最大角速度為0.5deg/s。

2) 前饋補償法。將機械臂柔性變形形成的機械振動看成是對剛性運動的確定性干擾 而採用前饋補償的辦法來抵消這種干擾。 德國的Bernd Gebler研究了具有彈性桿和彈性關節的工業機器人的前饋控制。 張鐵民研究了基於利用增加零點來消除系統的主導極點和系統不穩定的方法設計了具有時間延時的前饋控制器 和PID 控制器比較起來 可以更加明顯的消除系統的殘餘振動。 Seering Warren P。 等學者對前饋補償技術進行了深入的研究。

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械臂的末端軌跡控制問題。

4) 被動阻尼控制。為降低柔性體相對彈性變形的影響 選用各種耗能或儲能材料設計臂的結構以控制振動。 或者在柔性樑上採用阻尼減振器、阻尼材料、複合型阻尼金屬板、、阻尼合金或用粘彈性大阻尼材料形成附加阻尼結構均屬於被動阻尼控制。 近年來 粘彈性大阻尼材料用於柔性機械臂的振動控制已引起高度重視。RoSSi Mauro 和Wang David研究了柔性機器人的被動控制問題。

5) 力反饋控制法。柔性機械臂振動的力反饋控制實際上是基於逆動力學分析的控制方法 即根據逆動力學分析 通過臂末端的給定運動求得施加於驅動端的力矩 並通過運動或力檢測對驅動力矩進行反饋補償。

6) 自適應控制。採用組合自適應控制 將系統劃分成關節子系統和柔性子系統。 利用參數線性化的方法設計自適應控制規則來辨識柔性機械臂的不確定性參數。對具有非線性和參數不確定性的柔性機械臂進行了跟蹤控制器的設計。 控制器的設計是依據Lyapunov 方法的魯棒和自適應控制設計。 通過狀態轉換將系統分成兩個子系統。 用自適應控制和魯棒控制分別對兩個子系統進行控制。

7) PID 控制。PID 控制器作為最受歡迎和最廣泛套用的控制器, 由於其簡單、 有效、 實用, 被普遍地用於剛性機械臂控制, 常通過調整控制器增益構成自校正PID 控制器或與其它控制方法結合構成複合控制系統以改善PID 控制器性能。

8) 變結構控制。變結構控制系統是一種不連續的反饋控制系統, 其中滑模控制是最普遍的變結構控制。 其特點;在切換面上, 具有所謂的滑動方式, 在滑動方式中系統對參數變化和擾動保持不敏感, 同時, 它的軌跡位於切換面上, 滑動現象並不依賴於系統參數, 具有穩定的性質。 變結構控制器的設計, 不需要機械臂精確的動態模型, 模型參數的邊界就足以構造一個控制器。

9) 模糊與神經網路控制。是一種語言控制器, 可反映人在進行控制活動時的思維特點。 其主要特點之一是控制系統設計並不需要通常意義上的被控對象的數學模型, 而是需要操作者或專家的經驗知識, 運算元據等。

研究意義

與剛性機械臂相比較, 柔性機械臂具有結構輕、載重/ 自重比高等特性, 因而具有較低的能耗、較大的操作空間和很高的效率, 其回響快速而準確, 有著很多潛在的優點, 在工業、國防等套用領域中占有十分重要的地位. 隨著宇航業及機器人業的飛速發展, 越來越多地採用由若干個柔性構件組成的多柔體系統.。傳統的多剛體動力學的分析方法及控制方法己不能滿足多柔體系統的動力分析及控制的要求. 柔性機械臂作為最簡單的非平凡多柔體系統, 被廣泛地用作多柔體系統的研究模型。