文档介绍：浙江大学机械工程学系
博士学位论文
柔性机械臂集成建模与结构控制优化设计技术
姓名:屠立
申请学位级别:博士
专业:机械设计及理论
指导教师:张树有
20091001
摘要相对于刚性机械臂而言,柔性机械臂具有高负载、低能耗、高速度、适于直接驱动等优点。如何将机械臂控制器和机械结构之间的耦合同时加以考虑,这是柔性机械臂研究中有待解决的问题。本文以柔性机械臂为研究对象,在整体优化目标下,建立了包括机械臂结构、传感器、控制器和驱动器等参数的系统集成数学模型,综合考虑柔性机械臂动力学特性与控制策略的作用,优化后的柔性机械臂为变截面梁,所设计的控制器不仅易于实施而且对系统参数的不确定性具有鲁棒性;并以单关节柔性臂的设计为例进行了仿真,结构与控制全局优化设计使系统在获得相同性能的条件下能减少机械臂的质量,从而减少能耗。全文的组织结构为:第一章,综述了柔性机械臂建模与控制的研究现状,分析了机械臂设计过程中结构系统或控制系统进行独立优化设计的不足,并在对相关理论和技术进行归纳的同时,阐述了本论文的研究背景、内容和意义。第二章,针对柔性机械臂,通过基于能量计算的变分法的推导,定义并且建第三章,讨论了柔性关节的分段模型,采用有限维数近似法对柔性机械臂进行集成建模,并通过综合机械臂的动力学特性和驱动器模型,推导出可变几何分第四章,研究基于线性二次型调节器的柔性机械臂优化设计方法,提出将机械结构的设计与控制算法的设计有机的结合在一起,以结构优化为外循环,以刂坡傻挠呕D谘罚杓屏巳ň肿允视τ呕惴ā顾系统鲁棒性和抑制末端柔性振动性能,将结构形状分布和控制参数同时进行优第六章,对第四章和第五章提出的设计方法进行了系统仿真与实验,给出了立了柔性机械臂系统。给出了带有边界条件的动力学方程,在此基础上推导了柔性机械臂的模态行列式。布梁结构的状态空间方程,同时实例分析了状态空间模型。第五章,在第四章研究内容的基础上推导出广义装置的空间状态模型,为兼化,设计了具有稳定闭环的日。控制器,减少系统的不确定性和扰动所产生的各种影响。‘
仿真实验实例并对结果进行了详细分析,并讨论了系统对参数变化和扰动的鲁棒第七章,总结了本文的主要研究内容和成果,并给出了今后有待进一步研究关键词:柔性机械臂,集成建模,全局优化设计,动力学建模,空间状态方程,线性二次调节器,日∞控制器,自适应算法,固有频率,模态振型性。的工作与方向。浙江大学博士学位论文:柔性机械臂集成建模与结构控制优化设计技术
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致谢在我的博士学位论文完成之际,我谨向所有关心、鼓励和帮助过我的所有人们表示衷我攻读博士学位期间,自始至终都得到了导师张树有教授细致、认真的关心和指导。古人云:师者,传道授业解惑者也。张老师高深精湛的学术造诣、严谨勤奋的治学风格、开阔前瞻的文化视野、宽厚仁爱的博大胸怀,永远是我学的楷模。张老师对人生的深刻理解、对事业的执着追求将时刻激励着我。“桃李不言,下自成蹊”,导师为我的进步付出了巨大的心血。在此,谨向导师张树有教授致以最崇高的敬意和最衷心的谢意衷心感谢中国工程院院士、浙江大学求是特聘教授、浙江大学工程与计算机图形学研究所所长谭建荣教授对我论文研究工作的悉心指导和学业上的关心、鼓励和帮助。谭院士氛围,使我在科学研究中受益匪浅。衷心感谢浙江大学工程与计算机图形学研究所的陆国栋教授、施岳定教授、刘振宇副教授、伊国栋副教授、冯毅雄副教授、高瞻副教授和董进老师等对我的关心、支持和帮助。感谢裘乐淼博士、邹纯稳博士、周佳立博士、徐敬华博士等对我科研工作的支持和帮助。感谢邱剑波、毛锋、王彦超、何再兴等同学对我工作、学的鼓励和关心。感谢浙江大学工程与计算机图形学研究所的所有博士生和硕士生,在六年的学生活深深感谢我敬爱的母亲给予我博大、无私的养育之恩嗄昀词贾杖缫弧⑶憔∪Χ