一种基于振动观测器的柔性机械臂振动控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种柔性机械操作臂，具体是一种基于振动观测器的柔性机械臂振动 控制方法。
【背景技术】
[0002] 机械臂是现代工业领域非常重要的一类工具，由于机械臂负重大、工作范围广、自 动化程度高，在医疗器械、工业生产、航空领域得到了广泛的应用。在低能耗、高精度、高效 率的要求下，机械臂技术不断向着轻质、高速和高精度的方向发展。
[0003] 与刚性机械臂相比，柔性机械臂具有体积小、速度快、负载大等优点，但是由于柔 性臂自身刚度小、模态频率低的动力学特性，在运动中容易产生残余振动，加上柔性臂结构 阻尼较小，振动将持续较长时间，严重影响系统的运动稳定性和定位精度，并且频繁的振动 会使系统结构产生疲劳破坏，降低系统的使用寿命。近年来，柔性臂的振动测量和控制具有 重要的理论和实际意义，得到了越来越多的关注。
[0004] 对柔性臂进行振动控制，通常的控制思路：利用传感器对柔性臂振动信号进行测 量，通过设计合理有效的控制器构成反馈控制，实现振动抑制。目前常用的传感器有加速度 传感器、压电传感器、激光传感器。但是利用加速度传感器、压电传感器这类附着型传感器 势必会影响柔性臂的动态特性比如固有模态等，并且会使系统结构变得复杂，另外在某些 场合传感器不易附加到柔性臂上；激光传感器则有实际应用场合有限、成本高的缺点。
【发明内容】
[0005] 针对上述现有技术存在的问题，本发明提供一种基于振动观测器的柔性机械臂振 动控制方法，在柔性臂的振动测试及控制过程中不需要添加传感器，利用建立的柔性臂数 学模型以及实际系统的输入和部分容易测量的输出信号，模拟出其末端的振动信号，然后 通过有效的反馈控制手段使柔性臂快速稳定地到达期望位置，并且进行振动控制。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于振动观测器的柔性机械 臂振动控制方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤1 :建立柔性机械臂系统的数学模型，获取系统的模型信息；
[0008] 根据假设模态法和拉格朗日原理，对柔性机械臂系统进行分析，建立动力学模型， 得到外部驱动力与柔性臂末端振动之间的关系，并将动力学模型转化为状态空间模型；
[0009] 步骤2 :设计振动观测器；
[0010] 基于步骤1中建立的柔性臂状态空间模型，设计振动观测器；振动观测器的输入 包括原系统输入控制力和利用位移传感器测量的柔性臂固定端位移；输出为原系统的状态 变量，包括柔性臂固定端位移、柔性臂模态坐标及两者的一阶导数；
[0011] 步骤3 :设计状态反馈积分控制器；
[0012] 对柔性机械臂系统设计状态反馈控制器，针对状态反馈控制器存在的静差现象， 引入积分控制器；综合振动观测器输出信号与系统期望信号得到误差信号，利用状态反馈 控制器与积分控制器得到控制量，实现轨迹跟踪的同时抑制柔性臂的弹性振动；
[0013] 步骤4 :根据联合仿真效果调整控制参数；
[0014] 在ADAMS中建立柔性臂物理模型，导入到MATLAB/SMULINK进行联合仿真，若振动 观测效果、控制效果不能满足要求，返回步骤2、步骤3对振动观测器增益及状态反馈控制 器增益重新调节，直至控制效果达到要求；
[0015] 步骤5 :设计结束；
[0016] 经过上述各步骤后，设计结束。
[0017] 与现有的方法相比：本发明在柔性机械臂末端残余振动进行测试和控制时，不需 要使用现有方法中的传感器就能得到柔性臂末端的振动信号，简化了系统结构，节约了成 本。本发明同时使用带积分的状态反馈控制器，在实现对系统动态特性有效调节的同时，能 够实现无偏差的跟踪指定输入。
【附图说明】
[0018] 图1为本发明系统的实施例简图；
[0019] 图2为本发明设计流程图；
[0020] 图3为振动观测器设计简图；
[0021] 图4为控制器结构示意图；
[0022] 图5为使用本发明的柔性臂机械臂末端振动跟踪效果图；
[0023] 图6为使用本发明的柔性机械臂末端位移控制效果图；
[0024] 图7为使用本发明的柔性机械臂臂末端振动控制效果图。
[0025] 图中：1、电机驱动器，2、伺服电机，3、减速器，4、滚珠丝杆，5、光栅尺，6、滑块，7、螺 栓，8、导轨，9、柔性机械臂，10、振动观测器，11、状态反馈积分控制器，12、运动控制卡。
【具体实施方式】
[0026] 下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0027] -种使用本发明方法的具体系统如图1所示，伺服电机2通过减速器3、滚珠丝杠 4驱动滑块6在导轨8上运动，柔性机械臂9的一端通过螺栓7与滑块6刚性连接；滑块6 位移利用光栅尺5进行测量，通过振动观测器10对柔性机械臂9末端的振动信号进行观 测。利用振动观测器10得到的振动信号，通过状态反馈积分控制器11得到控制信号，使用 运动控制卡12和电机驱动器1将控制信号输出给伺服电机2,控制其运动，实现柔性机械臂 9末端定位的同时抑制残余振动。
[0028] 如图2所示，本发明实施例的具体技术方案的步骤流程如下：
[0029] 步骤1 :建立柔性机械臂9系统数学模型，获取系统的模型信息；
[0030] 伺服电机2驱动的移动柔性机械臂9系统，工作原理如图2所示；根据假设模态法 和拉格朗日原理，对伺服电机2驱动的移动柔性机械臂9系统进行分析，可得其动力学模型 如下：
【主权项】
1. 一种基于振动观测器的柔性机械臂振动控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1 :建立柔性机械臂系统的数学模型，获取系统的模型信息； 根据假设模态法和拉格朗日原理，对柔性机械臂系统进行分析，建立动力学模型，得到 外部驱动力与柔性臂末端振动之间的关系，并将动力学模型转化为状态空间模型； 步骤2 :设计振动观测器； 基于步骤1中建立的柔性臂状态空间模型，设计振动观测器；振动观测器的输入包括 原系统输入控制力和利用位移传感器测量的柔性臂固定端位移；输出为原系统的状态变 量，包括柔性臂固定端位移、柔性臂模态坐标及两者的一阶导数； 步骤3 :设计状态反馈积分控制器； 对柔性机械臂系统设计状态反馈控制器，针对状态反馈控制器存在的静差现象，引入 积分控制器；综合振动观测器输出信号与系统期望信号得到误差信号，利用状态反馈控制 器与积分控制器得到控制量，实现轨迹跟踪的同时抑制柔性臂的弹性振动； 步骤4 :根据联合仿真效果调整控制参数； 在ADAMS中建立柔性臂物理模型，导入到MATLAB/SMULINK进行联合仿真，若振动观测 效果、控制效果不能满足要求，返回步骤2、步骤3对振动观测器增益及状态反馈控制器增 益重新调节，直至控制效果达到要求； 步骤5:设计结束； 经过上述各步骤后，设计结束。
【专利摘要】本发明公开了一种基于振动观测器的柔性机械臂振动控制方法，包括以下步骤：步骤1：建立柔性机械臂系统的数学模型，获取系统的模型信息；步骤2：设计振动观测器；步骤3：设计状态反馈积分控制器；步骤4：根据联合仿真效果调整控制参数；步骤5：设计结束；本发明在柔性机械臂末端残余振动进行测试和控制时，不需要使用现有方法中的传感器就能得到柔性臂末端的振动信号，简化了系统结构，节约了成本。本发明同时使用带积分的状态反馈控制器，在实现对系统动态特性有效调节的同时，能够实现无偏差的跟踪指定输入。
【IPC分类】B25J13-08
【公开号】CN104589359
【申请号】CN201410821690
【发明人】李威, 鞠锦勇, 王禹桥, 刘玉飞, 杨雪锋, 范孟豹, 魏华贤, 徐晗, 路恩, 须晓锋, 盛连超, 董事
【申请人】中国矿业大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2014年12月25日