柔性机械臂综述
机械臂发展现状
机械臂发展现状
机械臂是一种能够模仿人臂膊动作的机器设备，广泛应用于工业生产线和服务领域。
随着科技的发展和人工智能技术的应用，机械臂正呈现出以下几个方面的发展趋势。
首先，机械臂的智能化程度不断提高。
现代机械臂配备了各种传感器和控制系统，能够实现自主识别和感知环境的能力。
通过机器学习和深度学习算法的应用，机械臂能够实现自主学习和优化动作策略，提高工作效率和准确性。
其次，机械臂的灵活性和可操作性不断增强。
传统的机械臂通常是固定在一个位置，只能进行特定的动作。
然而，随着新材料和设计的应用，现代机械臂具有更大的动作范围和可调节性。
一些机械臂还具备柔性和变形能力，能够适应不同形状和尺寸的工件。
此外，机械臂的协作和交互能力也得到了提升。
协作机械臂能够与人类工作者共同完成工作任务，实现人机合作。
交互式机械臂通过触摸感应和语音识别等技术，能够与人类进行自然交互，并根据人类指令执行相应动作。
最后，机械臂的应用领域正在不断拓展。
除了传统的工业应用，如装配、包装和焊接等，机械臂还在医疗、农业、物流和家庭服务等领域发挥着重要作用。
例如，在医疗领域，机械臂可以辅助手术和康复训练；在农业领域，机械臂可以实现智能化的种植和收割。
综上所述，机械臂在智能化、灵活性、协作和应用领域等方面都取得了显著进展。
未来，随着技术的进一步突破和创新，机械臂有望在各个领域发挥更大的作用，为人们的生活和工作带来更多便利和效益。
柔性机构及其应用研究进展
柔性机构及其应用研究进展柔性机构是指能够在复杂环境中实现运动和变形的机构，具有结构简单、轻量化、柔顺性强等特点。
近年来，随着机器人技术的发展和应用需求的增加，对于柔性机构的研究也得到了广泛关注。
本文将从柔性机构的定义、分类以及应用领域等方面进行综述，以期全面了解柔性机构及其研究进展。
首先，柔性机构的定义可以从其名称中得出，它由柔性材料制成，具有一定的形变能力。
相对于传统的刚性机构，柔性机构在应对非结构化环境和复杂任务时具有更好的适应性和灵活性。
同时，柔性机构在能耗、重量和成本等方面也具有优势。
根据柔性机构的结构特点和应用需求，可以将其分为传统柔性机构、细微柔性机构和软体机器人三类。
传统柔性机构主要由弹簧、杆件和接头组成，通过调整杆件的长度和弹性特性实现变形。
常见的传统柔性机构包括箭头型弹性机械手和曲线传动杆件等。
这些机构广泛应用于航天器、机器人和工业自动化等领域。
细微柔性机构主要由微制造技术制成，具有尺寸小、精度高等特点。
这种机构常用于微操作、生物医学和微纳加工等领域。
例如，微型夹持器和微力传感器等。
软体机器人是一类柔性机构，其由柔性材料制成，可通过空气或液体等外界介质实现变形和运动。
软体机器人通常具有高度柔顺和变形能力，能够适应复杂环境并与人类进行互动。
它在医疗、教育和娱乐等领域具有广泛的应用前景。
柔性机构的研究进展主要集中在以下几个方面：第一，材料研究。
柔性机构的性能主要依赖于所采用的柔性材料。
因此，研究人员积极探索新型柔性材料，以提高柔性机构的变形能力和机械性能。
同时，针对特定应用需求，还开展了具有特殊功能的柔性材料的研究，如电致变形材料和自修复材料等。
第二，设计与仿真。
为了更好地设计柔性机构和预测其性能，研究人员将仿生学、优化算法和计算机辅助设计等方法应用于柔性机构的设计与仿真。
这些方法不仅能够提高柔性机构的设计效率，还能够优化柔性机构的性能。
第三，控制与感知。
柔性机构的控制和感知是实现其运动和变形的关键。
机械臂柔顺运动控制技术研究
机械臂柔顺运动控制技术研究机械臂柔顺运动控制技术研究：走向精确和高效的未来近年来，机械臂的应用范围越来越广泛，从工业生产线到医疗手术室再到家庭助手，机械臂都扮演着重要的角色。
然而，传统的机械臂在某些应用场景下存在一定的局限性，例如在与人类合作或对复杂环境的适应性上。
为了克服这些问题，机械臂柔顺运动控制技术应运而生，其致力于提高机械臂的柔顺性、精确性和高效性。
本文将探讨该技术的研究进展和未来发展方向。
柔顺运动控制技术是指机械臂通过具有精确力传递和高灵活性的机械结构，实现类似于人类手臂的柔软运动。
这种运动可以应对复杂的环境要求，比如与人类进行合作或在狭小空间中操作。
在传统的机械臂中，刚性结构和刚性控制往往导致运动精度和灵活性的不足。
而柔顺运动控制技术通过引入弹性材料、柔性机械结构和感知反馈控制算法等手段，有效提高了运动表现。
首先，柔性机械结构是实现机械臂柔顺运动控制的核心之一。
传统机械臂的末端执行器通常由刚性材料制成，限制了运动灵活性和安全性。
而柔性材料的引入可以提供更自由的运动范围，同时降低了与环境或操作对象接触时的风险。
例如，研究人员已经成功开发了基于人工肌肉和弹性材料的机械臂，实现了精确、连续和逼真的运动。
这种柔性机械结构的研究对于提高机械臂在协作机器人、医疗手术等领域的应用潜力具有重要意义。
其次，柔顺运动控制技术需要配备高效的感知反馈系统，以提供准确的运动信息并对环境变化进行实时响应。
在复杂的应用场景中，机械臂需要不断地感知和分析周围环境的信息，以便根据需要调整运动轨迹和力量输出。
近年来，计算机视觉和力传感器等技术的快速发展为实现这一目标提供了强有力的支持。
机械臂可以通过视觉系统检测周围物体的位置、形状和姿态，并通过力传感器感知外力作用下的变形情况。
这种感知反馈系统的引入使机械臂能够更好地适应环境需求和与人类进行交互。
从实际应用角度来看，机械臂柔顺运动控制技术在医疗、家庭助理和协作机器人等领域具有巨大的潜力。
柔性机械臂的工作原理
柔性机械臂的工作原理
柔性机械臂是一种由柔性材料制成的机械臂，他的工作原理主要是通过柔性材料的特性实现运动。
柔性机械臂通常由多个连续的柔性段组成，每个柔性段之间通过关节连接。
柔性段可以是由弹性材料制成的弹簧结构，也可以是由可伸缩材料制成的伸缩结构。
柔性段的运动受到外部力的作用，会发生弯曲、伸展和扭曲等变形。
柔性机械臂的运动通过对柔性节段施加适当的力或运动控制来实现。
这可以通过电机、液压系统或其他外部驱动器来实现。
可以根据需要来控制柔性机械臂的位移、速度和力量。
柔性机械臂的工作原理可以通过机械设计、控制系统和传感器来实现。
机械设计方面，柔性段的长度、形状和材料的选择需要综合考虑，以满足工作要求。
控制系统用于控制柔性机械臂的运动和力量。
传感器可以用于获取柔性机械臂当前位置、力量和环境信息，以便做出相应的控制。
总而言之，柔性机械臂的工作原理是通过柔性材料的变形实现运动，再结合适当的机械设计、控制系统和传感器来实现精确的运动控制。
柔性机械臂运动控制策略研究
柔性机械臂运动控制策略研究柔性机械臂是一种具有柔软、弹性特点的机械臂，被广泛应用于机器人领域。
其柔性结构使得机械臂能够适应复杂的工作环境，具有较高的灵活性和可靠性。
然而，由于其结构特点，如何有效地控制柔性机械臂的运动成为了研究的重点。
一种常见的柔性机械臂运动控制策略是基于传统PID控制算法的方法。
PID控制算法利用反馈控制的原理，根据实时的位置/角度误差来调整控制信号，使机械臂达到预期的运动目标。
然而，由于柔性机械臂的动力学特性复杂，PID控制算法往往无法满足高精度运动控制的需求。
因此，研究者们提出了许多改进的控制策略。
一种改进的控制策略是基于模型预测控制（MPC）的方法。
MPC方法通过对机械臂的动力学模型进行建模和预测，从而得到更加精确的控制信号。
与PID控制算法相比，MPC方法能够更好地处理柔性机械臂的非线性和时变特性，提高运动控制的精度和稳定性。
然而，MPC方法也存在计算复杂度高、实时性差的问题，需要进一步改进和优化。
另一种改进的控制策略是基于人工智能的方法，如深度学习和强化学习。
深度学习通过构建深度神经网络模型，从大量的实验数据中学习机械臂的运动规律，实现自适应控制。
强化学习则通过不断与环境交互，学习出最优的运动策略。
这些基于人工智能的方法能够克服传统控制方法的局限性，具有较好的运动控制效果。
然而，这些方法仍然存在训练时间长、模型不可解释等问题，需要进一步完善。
除了以上提到的控制策略，还有一些其他的研究方向。
例如，基于自适应控制的方法，根据实时的系统状态，自动调整控制参数以适应系统的变化；基于优化算法的方法，通过求解最优化问题，得到最优的运动规划和控制策略。
这些研究方向都在不断推动柔性机械臂运动控制策略的发展。
综上所述，柔性机械臂运动控制策略的研究涉及传统控制算法、模型预测控制、人工智能等多个方面。
不同的控制策略在柔性机械臂运动控制的精度、稳定性和实时性上都有各自的优劣。
随着科技的不断发展，我们相信在不久的将来，柔性机械臂的运动控制技术会进一步突破和创新，为机器人领域的应用带来更多的可能性。
柔顺外骨骼康复机械手的研究现状
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柔性机械臂的设计与控制研究
柔性机械臂的设计与控制研究随着科技的不断发展和人们对工业机械的需求不断增加，机械臂逐渐成为了最具发展前景的研究领域之一。
而随着柔性机械臂的推出，现代工业生产领域也迎来了一场革命。
与传统的刚性机械臂相比，柔性机械臂具有更大的自由度、更高的适应性和更广泛的应用范围，其在现代工业生产中的应用前景极为广泛。
一、柔性机械臂的设计柔性机械臂的设计，首要考虑的是其结构设计。
通常来说，柔性机械臂的结构要比传统机械臂的结构复杂得多。
在柔性机械臂的结构设计中，关键要素包括关节数量、连接件以及机械臂的材料等方面。
在柔性机械臂的结构中，关节点的数量和位置是非常重要的。
关节点数量的多少和位置的选择，直接决定了机械臂能够完成的任务难度和范围。
因此，在柔性机械臂的设计中，选择合适的关节点数量和位置，将非常有利于机械臂最终的性能和效率。
另外，柔性机械臂的连接件也是设计的重点之一。
合理的连接件可以有效地增强机械臂的结构强度和稳定性，同时还可以有效地减少机械臂的重量，提高机械臂的移动速度和自由度。
因此，在柔性机械臂的设计过程中，选择合适的连接件是非常重要的一步。
最后，在柔性机械臂的设计中，合适的材料是关键之一。
一般来说，柔性机械臂的材料选择比较广泛，可以选择纤维材料、塑料材料或者金属材料等。
选择合适的材料不仅可以增强机械臂的结构强度和稳定性，同时还能够增强机械臂的柔性和适应性。
二、柔性机械臂的控制研究柔性机械臂在控制研究方面与传统刚性机械臂存在很大的不同。
柔性机械臂需要通过控制来确保其在目标轨迹下的精确定位和重合，并能够在误差范围内调整位置，以实现更高效和准确的任务。
柔性机械臂的控制研究主要涉及运动学、动力学和控制算法等方面。
在柔性机械臂的控制算法中，传统的PID控制算法已经不能满足实际生产中对控制的要求。
因此，研究人员最近提出了一系列新的控制算法，如模糊控制、自适应控制、神经网络控制等。
这些算法的发展，极大地推进了柔性机械臂的控制研究。
一种用于受限空间内的柔性机械臂[实用新型专利]
![一种用于受限空间内的柔性机械臂[实用新型专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/b2cc0530a31614791711cc7931b765ce04087a45.png)
专利名称：一种用于受限空间内的柔性机械臂
专利类型：实用新型专利
发明人：吕泽,武笛,张宇杰,蔡乐才,高祥,张超洋,成奎申请号：CN202122505589.9
申请日：20211018
公开号：CN216634373U
公开日：
20220531
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型公开了一种用于受限空间内的柔性机械臂，所述柔性机械臂包括多个第一方向上的连接轴段和多个第二方向上的连接轴段，多个所述第一方向上的连接轴段通过多个所述第二方向上的连接轴段连接以构造为所述柔性机械臂的臂体，并且，每相邻两个所述第一方向上的连接轴段可绕连接其二者的第二连接轴段转动。
本实用新型公开的用于受限空间内的柔性机械臂，能够解决现有的机械臂灵活性不足的技术问题。
申请人：四川轻化工大学,宜宾学院
地址：643002 四川省自贡市汇东学苑街180号
国籍：CN
代理机构：北京正华智诚专利代理事务所(普通合伙)
代理人：杨浩林
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柔性机械臂的设计与控制技术研究
柔性机械臂的设计与控制技术研究随着人工智能、自动化技术加速发展，机器人技术已逐渐热门。
机械臂是机器人的核心设备之一，也是人工智能和自动化技术的载体。
在制造业中，机械臂可以完成拾取、运输、装配、焊接、喷涂、质检等任务，而不需要人工干预。
因此，研究柔性机械臂的设计和控制技术具有重要意义。
本文将从柔性机械臂类型、设计流程和控制技术三个方面进行阐述。
一、柔性机械臂类型传统的机械臂与柔性机械臂有很大的区别。
传统机械臂构造相对简单，形似链状，由机械臂关节和机械臂链组成。
柔性机械臂包括软体机械臂和纤维机械臂两种类型。
软体机械臂是指采用橡胶或硅胶等柔性材料制成的机械臂，其形态可通过外界控制产生弯曲和伸缩等变化。
纤维机械臂则是指由多根金属丝或塑料丝编织成复合材料制成的柔性机械臂。
两种机械臂的构造形态和物理特点不同，柔性机械臂均为多段式结构，由多个关节连接，可以在多个方向上做大范围的伸缩和折叠等变形。
二、柔性机械臂设计流程柔性机械臂设计流程主要包括需求分析、材料选择、构造设计、传动系统设计和倒立控制系统设计等几个步骤。
需求分析是指根据任务要求和应用场景，分析机械臂的动作要求和可实现性。
包括确定机械臂末端负载、运动速度和工作范围等。
在材料选择方面，软体机械臂材料应选用柔性高分子材料或柔性薄膜材料。
而纤维机械臂则应选用具有高弹性模量和高屈服强度的纤维材料。
构造设计指柔性机械臂的外形设计和基本参数的确定。
传动系统设计需要确定齿轮传动、阀门控制、滑块传动等方案。
倒立控制系统设计是指确定机械臂的控制方案，包括确定控制方式、控制电路、控制软件等。
三、柔性机械臂控制技术柔性机械臂控制技术包括正逆向运动学控制、控制算法选择和定位控制等方面。
正逆向运动学控制是指根据机械臂末端执行器运动确定机械臂关节角度，以此控制机械臂的运动。
控制算法选择包括PID控制器、自适应控制器、神经网络控制器以及遗传算法控制器等。
在定位控制方面，通过采用精度高的光子计算机系统、激光跟踪系统或者投影的传感器和相应的控制器等设备，实现对机械臂的定位控制。
柔性机械臂发展历程
柔性机械臂发展历程柔性机械臂是一种机器人技术的重要分支，旨在模仿人类手臂的运动能力和灵活性。
它在工业机器人应用中得到了广泛的应用，并且在医疗机器人、服务机器人等领域也有着巨大的潜力。
下面，我们将回顾柔性机械臂的发展历程。
20世纪70年代，柔性机械臂的研究刚刚起步。
当时的柔性机械臂主要由一系列的连杆和关节组成，能够在特定的工作空间内进行各种运动。
然而，由于当时的传感器技术和控制算法的限制，这些机械臂的运动能力和精度还比较有限。
随着计算机和传感器技术的不断进步，柔性机械臂在20世纪80年代迎来了快速发展。
研究人员开始将传感器集成到机械臂中，使其能够感知外部环境，并做出相应的反应。
同时，新的控制算法和模型也被开发出来，提高了机械臂的运动能力和精度。
到了20世纪90年代，柔性机械臂的研究进入了一个全新的阶段。
研究人员开始使用柔性材料代替传统的刚性材料，以实现机械臂的柔性和变形能力。
这些柔性材料可以在受到外部力量的作用下发生弯曲或伸缩，从而使机械臂能够适应不同的工作环境和任务。
21世纪以来，柔性机械臂的研究和应用取得了巨大的突破。
通过结合人工智能和机器学习等新兴技术，机械臂能够学习和改进自己的运动能力和运动策略。
同时，新型的传感器和执行器技术也被研发出来，提高了机械臂的感知和执行能力。
目前，柔性机械臂已经广泛应用于各个领域。
在工业领域，柔性机械臂可以完成各种复杂的装配任务，提高生产效率和质量。
在医疗领域，柔性机械臂可以协助医生进行手术操作，减少手术风险和伤害。
在服务领域，柔性机械臂可以作为家庭助理机器人，帮助人们完成日常生活中的各种任务。
未来，柔性机械臂将继续发展壮大。
随着人工智能和机器学习技术的不断进步，机械臂的智能化和自主性将得到进一步提升。
同时，新型材料和传感器技术的应用也将为机械臂的柔性和精度带来更大的提升。
相信在不久的将来，柔性机械臂将成为人们生活和工作中不可或缺的重要工具。
机械手臂柔性控制技术研究
机械手臂柔性控制技术研究一、引言机械手臂是现代工业生产中广泛应用的一种工具，它能够模拟人手的运动，并进行精确的工作操作。
然而，在某些特定的应用场景下，传统的刚性控制技术不能满足需求，而柔性控制技术则被提出和研究。
本文将对机械手臂柔性控制技术进行详细的研究和分析。
二、机械手臂柔性控制技术的基本原理机械手臂柔性控制技术是通过在机械手臂的结构和控制系统中引入柔性元素，以提高系统的鲁棒性和适应性。
这种柔性元素可以是柔性关节、柔性传动机构以及柔性传感器等。
通过在机械手臂某些关键部位增加柔性元件，可以改变机械手臂的刚性特性，使其具有更好的自适应能力和动态响应性能。
三、机械手臂柔性控制技术的关键技术与挑战1. 柔性关节技术：柔性关节是实现机械手臂柔性控制的核心部件之一。
通过使用柔性关节，可以使手臂在受到外部干扰时能够快速调整，以保持系统的稳定性。
而且，柔性关节还可以提供更高的工作空间和更大的负载能力，从而提高机械手臂的适应性和灵活性。
2. 柔性传感器技术：柔性传感器是实现机械手臂柔性控制的另一个关键技术。
它可以感知并测量机械手臂作业过程中的变形和压力，从而实时反馈给控制系统，使其能够相应地调整控制策略和运动轨迹。
柔性传感器具有高度可定制性和易于安装的特点，可以很好地适应不同工作环境的需求。
3. 柔性控制算法：柔性控制技术的关键在于如何设计和实现有效的控制算法。
传统的刚性控制算法无法应对柔性元件引入后产生的非线性、时变和耦合等问题。
因此，需要设计新的控制算法来解决这些挑战，例如自适应控制、模糊控制、优化控制等。
这些控制算法能够根据实际情况动态调整控制策略，提高机械手臂的性能和鲁棒性。
四、机械手臂柔性控制技术的应用领域机械手臂柔性控制技术在许多领域具有广泛的应用前景。
首先，柔性控制技术可以应用于高精度组装和加工领域，以提高处理细微部件时的精准度和稳定性。
其次，柔性控制技术可以应用于医疗领域，用于开展微创手术和康复治疗等工作。
柔性机械臂分类及应用技术
柔性机械臂分类及应用技术柔性机械臂是一种具有柔软性和可变形能力的机械臂，能够适应复杂和不确定的环境。
它有很多不同的分类方法，根据结构、驱动方式、应用领域等可以进行区分。
一般情况下，柔性机械臂可以分为以下几类：1. 基于结构的分类：从结构上来看，柔性机械臂可以分为连续型和离散型。
连续型柔性机械臂由连续的柔性段组成，具有无限个自由度；离散型柔性机械臂由离散的刚性和柔性段组成，具有有限个自由度。
2. 基于驱动方式的分类：根据驱动方式的不同，柔性机械臂可以分为主动柔性机械臂和被动柔性机械臂。
主动柔性机械臂由电机或液压驱动，能够主动完成任务；被动柔性机械臂没有主动驱动，依靠外界力矩或重力完成任务。
3. 基于应用领域的分类：柔性机械臂可以广泛应用于工业生产、医疗护理、服务机器人等领域。
根据应用场景的不同，柔性机械臂可以分为工业柔性机械臂、医疗柔性机械臂、服务柔性机械臂等。
在工业生产中，柔性机械臂可以用于装配、搬运、温和处理等任务。
它的柔软性和可变形能力使得它可以适应各种复杂的工业环境，同时也可以减轻重复性劳动对人体的损伤。
在医疗护理领域，柔性机械臂可以用于手术、康复训练、辅助护理等任务。
它的柔软性和可控性使得它可以精确地进行手术操作，同时也可以提供安全、舒适的康复训练环境。
在服务机器人领域，柔性机械臂可以用于家政服务、社区服务、陪伴护理等任务。
它的柔软性和可变形能力使得它可以适应不同的环境和需求，提供个性化的服务。
为了提高柔性机械臂的性能和应用效果，还有一些技术可以应用于柔性机械臂中。
例如：1. 传感器技术：通过激光测距、视觉识别等传感器技术，可以实现对环境、物体和机械臂状态的感知，提高机械臂的智能化水平。
2. 控制算法：针对柔性机械臂的特点，设计相应的控制算法，如力控算法、运动规划算法等，以提高机械臂的控制精度和鲁棒性。
3. 柔性材料和结构设计：研发具有高韧性和可塑性的柔性材料，设计轻巧、紧凑的柔性机械臂结构，以提高机械臂的柔软性和可变形能力。
空间柔性机械臂动力学建模、轨迹规划与振动抑制研究
目录
01 引言
03 研究问题和假设
02 文献综述 04 研究方法
05 研究结果
07 结论
目录
06 讨论 08 参考内容
引言
随着空间科技的不断发展，空间机器人技术已经在许多领域中得到了广泛的应 用。其中，空间柔性机械臂作为空间机器人技术的重要组成部分，具有灵活性 强、适应性强、任务范围广等优点，成为了研究的热点。本次演示将围绕空间 柔性机械臂的动力学建模、轨迹规划和振动抑制等方面展开研究，为空间柔性 机械臂的进一步发展提供理论支持和技术指导。
因此，柔性机械臂的动力学建模和分析对于提高空间任务的成功率和效率具有 重要意义。
谢谢观看
未来研究方向包括进一步考虑复杂环境对七自由度机械臂动力学的影响，以及 研究更加智能的轨迹规划方法，以提高机械臂的适应性和运动效率。本次演示 的研究成果也可以为其他类似复杂系统的动力学建模与控制提供借鉴和参考。
引言
随着空间探索的不断深入，柔性机械臂在空间任务中的应用越来越广泛。柔性 机械臂具有灵活性强、适应性好等优点，在复杂的空间环境中表现出优越的性 能。为了更好地发挥柔性机械臂的优势，提高其控制精度和稳定性，需要对柔 性机械臂的动力学建模进行分析。本次演示旨在探讨空间柔性机械臂的动力学 建模和分析方法，为实际应用提供理论支持。
讨论
针对实验结果的有效性和问题的探讨，本次演示进一步对研究问题和假设进行 了深入的探讨和分析。首先，建立的动力学模型虽然能够全面反映多方面因素 的影响，但在某些情况下仍可能存在一定的误差。未来研究可以考虑将更为先 进的数值计算方法和实验测量手段引入模型的验证和修正过程中，提高模型的 精度和适用范围。
引言
柔性机械臂建模理论与控制方法研究综述
文章编号:1002-0446(2002)01-0086-07柔性机械臂建模理论与控制方法研究综述王树新员今天石菊荣刘又午(天津大学机械工程学院智能机器人研究所天津300072)摘要:针对柔性机械臂进行有效和精确的建模以及对其进行有效的控制一直是国内外学者研究的重要课题.由于柔性机械臂本身所具有的高度非线性,强耦合和时变的特点9建立精确的动力学模型成为柔性臂研究的一个重点.而随着系统和控制领域理论和技术的不断发展9针对柔性机械臂的控制9也形成了许多不同的控制策略.本文从柔性机械臂建模理论和控制方法两方面9对国内外学者的研究工作分别加以介绍9并对各种方法的优缺点进行分析和比较9并对今后的研究方向进行了展望.关键词:柔性机械臂S动力学建模S控制策略中图分类号:24文献标识码:BA ROADMAP OF RESEARCH ON MODELING AND CONTROLSTRATEGY FOR FLE IBLE MANIPULATORSWANG Shu-xin N Jin-tian S~I Ju-rong LI ou-Wu(Department of lnte zgent Ro}ot9lnstzt/te of melhanzla engzneerzng9Tzanjzn]nzUerszt}9Tzanjzn300072)Abstra c t:M o del ing an d c ontro ll ing ar e ve r y i mp ortant i ss u es f or fle xi ble m ani p u l ator s.M an y r ese ar c h e r s ha ve p ut m u c h m or e eff ort s on s tu dy ing th e tWo p ro blems.D u e to th e p ro pe rti es o f high-non l in e ar9tight-c ou pl ing an d ti me-v ar y ing9dy na m i c m o del ing a cc urat ely i s a c tua l f o c u s.M an y c ontro l s trat e g y f or fle xi ble m ani p u l ator s ha ve bee n f or med With th e devel o pme nt o f th e sys t em an d c ontro l th e or y.hi s p a pe r intro d u ces th e ve r y i mp ortant Wor ks by th e r ese ar c h e r s in thi s f i eld9an d espec ia lly c o mp ar es th e a dv antag es With d i s a dv antag es in th e tWo a spec t s o f m o del ing an d c ontro ll ing r espec ti vely.At l a s t9thi s p a pe r p ro p o sed th e f utur e d ir ec tion to r ese ar c h on th e m o del ing an d c ontro ll ing f or fle xi ble m ani p u l ator s.Keywo r d s:fle xi ble m ani p u l ator9dy na m i c m o del ing9c ontro l s trat e g y1引言(I n tr oduc t ion)近年来9随着机器人技术的发展9应用高速,高精度,高负载自重比的机器人结构受到工业和航空航天领域的关注.由于运动过程中关节和连杆的柔性效应的增加9使结构发生变形从而使任务执行的精度降低.所以9机器人机械臂结构柔性特征必须予以考虑9实现柔性机械臂高精度有效控制也必须考虑系统动力学特性.柔性机械臂是一个非常复杂的动力学系统9其动力学方程具有非线性,强耦合,实变等特点.而进行柔性臂动力学问题的研究9其模型的建立是极其重要的.柔性机械臂不仅是一个刚柔耦合的非线性系统9而且也是系统动力学特性与控制特性相互耦合即机电耦合的非线性系统.动力学建模的目的是为控制系统描述及控制器设计提供依据.一般控制系统的描述(包括时域的状态空间描述和频域的传递函数描述)与传感器/执行器的定位9从执行器到传感器的信息传递以及机械臂的动力学特性密切相关.2柔性机械臂建模理论研究(R e s e ar ch on modeling f o r f lexi b le m a nipul at o rs)柔性机械臂动力学方程的建立主要是利用Lagrang e方程和N e Wton-E u le r方程这两个最具代表性的方程.另外比较常用的还有变分原理,虚位移原理以及K an e方程的方法.而柔性体变形的描述9第24卷第1期2002年1月机器人ROBOT V o l.249No.1Jan.92002收稿日期:2001-04-10是柔性机械臂系统建模与控制的基础9因此因首先选择一定的方式描述柔性体的变形9同时变形的描述与系统动力学方程的求解关系密切~2~1柔性体变形的描述主要有以下几种方法1)有限元法,解决复杂结构问题的一种数值解法~其实质就是把无限个自由度的连续体理想化为有限个自由度的单元集合体9使问题简化为适合于数值解法的结构型问题~其特点是采用弹性单元\刚性结点\载荷向结点移置\刚度及阻尼特性由单元表征~采用有限元法所得动力学方程较为复杂9动态响应求解运算量也较大9其边界条件和几何物理特性可以直接描述~Tokhi M~0~[1]\Fattah A~[2]\Ge S~S~[3]\Xia9Zhijie[4]\Theodore R~J~[5]等学者利用有限元法做了大量的研究工作~2)有限段法,适合于含有细长零件的系统~将细长件分为有限刚段9将柔性引入到系统的各接点中9即把柔性系统描述为多个刚体9以含有弹簧和阻尼器的接点相联~它与有限元法在拓扑结构上存在着本质的区别[697]~就整个系统而言9有限段方法描述的多体系统是时变的9而有限元分析中其结构的平衡位置不随时间变化~就单元特征而言9有限段法只应满足小应变假设9即允许柔性体产生几何非线性变形9而有限元法是建立在小变形假设基础之上9将变形线性化~就微分单元而言9有限段中微分梁段的长度相当于弧微分9而有限元法是对坐标的微分~张大钧[6]\蒋铁英[8]等采用有限段方法对柔性机械臂进行了建模和实验研究~3)模态综合法,通过求解自由振动的特征值即可得到动态模态~此方法也是以Rayleigh-Ritz法为基础9采用模态截断技术9利用系统中各个子结构的模态9综合出系统的整个模态~Chen wen[9]\Zhao Hongchao[10]等学者采用假设模态技术建立了解耦的动力学方程~蒋铁英[8]基于Kane方程的HuSton方法建立了柔性机械臂有限段方程~Li Chang-jin9Sankar T~S~[12]提出了对柔性机械臂进行有效建模和动态计算的系统方法9该方法主要是利用Lagrange假设模态法~采用模态截断的方法来描述连杆变形~该方法具有计算量相对少9方法简单9具有系统性和效率高的特点~ Theodore R~J~9GhoSal A~[11]对柔性机械臂的两种离散模型,假设模态法和有限元法做了比较分析~以便更加有效的描述柔性机械臂的连杆的柔性~其利用Lagrange方程和计算机算法得出了闭环运动方程~从中可以看到9利用有限元的方法比假设模态法要计算简便~然而由于有限元法的状态方程的数量比假设模态法更多9因此9利用有限元法进行数字仿真的时候需要的时间会更长些~在利用有限元的方法来逼近连杆柔性时9会使对连杆刚性的估计值增大~通过分析可以表明9在利用基于模型的控制策略时9对刚性的估计值增大就会引起闭环系统不稳定~利用假设模态法建立的时变频率方程9比有限元法复杂~王大龙[58959]\李善姬[60]\刘才山[57]等学者也利用假设模态法对柔性机械臂进行了研究~4)集中质量法[13],用若干离散结点上的集中质量代替原来系统中的分布质量9即全部质量都集中到各节点上9杆系结构的离散化刚度阵能够直接得出9整个动力方程都能直接通过对质量的近似离散化处理得到~ Gamarra-RoSado V~0~[14]\Dai Y~G~[15]\Feliu Jorge J~等学者在这方面进行了很多的研究工作~2~2动力学方程的建立无论是连续或离散的动力学模型9其建模方法主要基于两类基本方法矢量力学法和分析力学法~应用较广泛同时也是比较成熟的是Newton-Euler公式\Lagrange方程\变分原理\虚位移原理和Kane方程~现分述如下,1)Newton-Euler公式,应用质心动量矩定理写出隔离体的动力学方程9在动力学方程中出现相临体间的内力项9其物理意义明确9并且表达了系统完整的受力关系;但是这种方法也存在着方程数量大\计算效率低等缺点~不过许多模型的规范化形式最终都是以该种模型出现9并且该方法也是目前动力学分析用于实时控制的主要手段~Eric H~K~Fung和Cedric K~M~Lee[17]利用Newton-Euler公式对柔性梁进行建模时9首先假定,D柔性梁的变形和柔性梁的长度比较起来非常小9@假设梁是具有均匀截面和稳定性质的Euler-Bernoulli梁9@梁的转动惯量和剪切变形忽略不记9空气阻力和梁的内阻尼忽略不记~Gamarra-RoSado V~0~[14]\Bruno Siciliano[18]等学者成功的利用Newton-Euler公式建立了柔性机械臂的动力学方程~2)利用Lagrange方程或Hamilton原理由Lagrange方程或Hamilton原理出发9求出能量函数或Hamilton函数9以能量方式建模9可以避免方程中出现内力项~适用于比较简单的柔性体动78第24卷第1期王树新等,柔性机械臂建模理论与控制方法研究综述力学方程.而对复杂结构Lagrange函数和~amilton函数的微分运算将变得非常繁琐.但是变分原理又有其特点由于它是将系统真实运动应满足的条件表示为某个函数或泛函的极值条件并利用此条件确定系统的运动因此这种方法可结合控制系统的优化进行综合分析便于动力学分析向控制模型的转化.Fung R.-F.Chang~.-C[19].利用~amilton 原理得出带有末端质量的非线性受限柔性机械臂的运动方程.动态方程式以广义坐标的形式来表达机械臂系统的动能和势能.Ge S.S.Lee T.~.[3]利用有限元分析的方法和Lagrange方法建立了柔性系统的非线性动态模型.EftychioS G. ChriStoforou[20]~ueiroZ M.S.DaWSon D.M.et al[21]~丁希仑[56]等学者也利用Lagrange公式和~amilton原理对柔性机械臂进行了深入的研究工作.3)Kane方法和虚功原理,Kane方法采用相对能量的形式该方法从约束质点系的D Alembert原理出发将各体的主动力(矩)和惯性力(矩)乘以偏速度~偏角速度矢量再对整个系统求和可得与系统自由度数目相同的方程组.其特点也是可消除方程中的内力项避免繁琐的微分运算使推导过程较为系统化.虚功原理与Kane 方法类似.在Kane方法中颇具特色的当推Kane-~uSton方法此法采用低序体阵列描述系统的拓扑结构.张大钧[6]~蒋铁英[8]~员超[22]等人均用此法建立了柔性体动力学模型.薛克宗~赵平[23]利用虚功原理建立了柔性多体系统的微分方程利用基尔算法对方程组进行求解.边宇枢[24]利用Kane方程和假设模态的方法对系统进行建模.3柔性机械臂控制策略的研究(Research on control strategy f or f lexible manipula-tors)对柔性机械臂的控制一般有如下方式,1)刚性化处理,完全忽略结构的弹性变形对结构刚体运动的影响.例如为了避免过大的弹性变形破坏柔性机械臂的稳定性和末端定位精度NASA的遥控太空手运动的最大角速度为0.5deg/S[25].2)前馈补偿法,将机械臂柔性变形形成的机械振动看成是对刚性运动的确定性干扰而采用前馈补偿的办法来抵消这种干扰.德国的Bernd Gebler[26]研究了具有弹性杆和弹性关节的工业机器人的前馈控制.张铁民[28 61]研究了基于利用增加零点来消除系统的主导极点和系统不稳定的方法设计了具有时间延时的前馈控制器和PID控制器比较起来可以更加明显的消除系统的残余振动.Seering Warren P.[64 65]等学者对前馈补偿技术进行了深入的研究.3)加速度反馈控制,Khorrami FarShad和Jain Sandeep[27]研究了利用末端加速度反馈控制柔性机械臂的末端轨迹控制问题.4)被动阻尼控制,为降低柔性体相对弹性变形的影响选用各种耗能或储能材料设计臂的结构以控制振动.或者在柔性梁上采用阻尼减振器~阻尼材料~复合型阻尼金属板~阻尼合金或用粘弹性大阻尼材料形成附加阻尼结构均属于被动阻尼控制.近年来粘弹性大阻尼材料用于柔性机械臂的振动控制已引起高度重视. RoSSi Mauro和Wang David[38]研究了柔性机器人的被动控制问题.5)力反馈控制法,柔性机械臂振动的力反馈控制实际上是基于逆动力学分析的控制方法即根据逆动力学分析通过臂末端的给定运动求得施加于驱动端的力矩并通过运动或力检测对驱动力矩进行反馈补偿.Lucibello P.[32]和Xia Jack zhijie[33]等等都是采用计算力矩法对柔性臂进行了轨迹跟踪控制.Kino MaSaru和GodenTatSuhito[34]提出了一种多自由度柔性系统的位置控制方法采用一种新颖的控制策略为了抑制振动采用力矩反馈同时控制器还控制包括弹性变形引起的位移控制来增加反应速度.6)自适应控制,Lin Lih-Chang和Yeh Sy-Lin.[29]采用组合自适应控制将系统划分成关节子系统和柔性子系统.利用参数线性化的方法设计自适应控制规则来辨识柔性机械臂的不确定性参数.Kim D.~.;Lee Kyo-Il[40]对具有非线性和参数不确定性的柔性机械臂进行了跟踪控制器的设计.控制器的设计是依据Lyapunov方法的鲁棒和自适应控制设计.通过状态转换将系统分成两个子系统.用自适应控制和鲁棒控制分别对两个子系统进行控制.Bai M.zhou D. ~.[30]采用了自适应增大状态反馈控制控制器的设计是依据稳态L R技术.所设计的控制器具有很强的鲁棒特性.众所周知多连杆柔性机械臂从关节处的驱动器到端点的动态特性是非最小相位系统.因此88机器人2002年1月许多自适应控制技术不能应用到柔性机械臂上.考虑到可以在连杆上施加外部的激励,在柔性连杆的适当位置布置压电传感器和压电致动器,可以使系统成为最小相位系统.这样就可以利用自适应控制方法[31].刘妹琴~陈际达[54]研究了基于神经网络的机器人柔性臂自适应控制.7)PID控制;PID控制器作为最受欢迎和最广泛应用的控制器,由于其简单~有效~实用,被普遍地用于刚性机械臂控制,常通过调整控制器增益构成自校正PID控制器或与其它控制方法结合构成复合控制系统以改善PID控制器性能.0zen,Figen[35].提出了一种控制柔性机械臂端点位置轨迹跟踪的新的控制策略.这个控制规则就是利用非常容易获得的量,比如关节角度,角速度,每个杆的端点变形和端点的速度.控制率在传统的PD控制器和非线性控制器间遵循开关规则,和传统的PD控制比较有很大的优点. Talebi,~.A.,Khorasani,K[36,37]利用PD控制器对柔性臂的控制进行了研究.8)变结构控制;变结构控制系统是一种不连续的反馈控制系统,其中滑模控制是最普遍的变结构控制.其特点;在切换面上,具有所谓的滑动方式,在滑动方式中系统对参数变化和扰动保持不敏感,同时,它的轨迹位于切换面上,滑动现象并不依赖于系统参数,具有稳定的性质.变结构控制器的设计,不需要机械臂精确的动态模型,模型参数的边界就足以构造一个控制器.Ingole,A.R.;Bandyopadhyay,B[39]对变结构滑模控制进行了深入的研究.他指出变结构滑模控制是一种特殊的控制技术,在系统参数发生变化和外部扰动的情形下,它能使控制系统具有很强的鲁棒性.由于具有鲁棒特性,变结构滑模控制设计容易,容易解藕,所以在柔性机械臂的控制中应用很广.Li, Y.,Kang,J[41]~樊晓平[53]~刘才山[57]~李善姬[60]~李元春[42]等学者也对变结构滑模控制进行了深入的研究.9)模糊与神经网络控制;其是一种语言控制器,可反映人在进行控制活动时的思维特点.其主要特点之一是控制系统设计并不需要通常意义上的被控对象的数学模型,而是需要操作者或专家的经验知识,操作数据等.Talebi~.A.和KhorasaniK[36,37]利用神经网络控制技术对柔性机械臂进行控制.提出了四种不同的神经网络控制方案,前两种是基于改进型的feedback-error-learning 方法来学习系统的动力学特性.这两种方案都只需要系统的线性模型来定义系统的新的输出,并且只是利用传统的PD控制器.而这两种方案都是和第三和第四方案相联系的,第三方案是在控制弹性变形时基于轴的位置来进行设计的,而第四方案则包含两种神经网络.第一个主要负责近似系统的输以保证系统是最小相位系统,第二个神经网络重要是完成逆动力学控制.Lee J.X.和VukovichG.[45].利用模糊控制方法对没有进行数学建模的柔性机械臂进行控制.提出了模糊逻辑控制器的设计方法.樊晓平等[44,55]讨论了受限柔性机器人自适应模糊逻辑控制器设计问题,提出了对控制器参数进行调整的遗传学习算法.10)非线性反馈控制;由于柔性机械臂动力学模型的非线性,以及工作负载变化的非线性等,非线性反馈控制柔性臂的方法应运而生.Ge,S.S.Lee,T.~.[3]设计了非线性反馈控制器.Yazdanpanah M.J.和Khorasani,K.[46]对柔性机械臂的具有恒定输入向量场的非线性动态模型进行了研究并设计了一个非线性~inf控制器.非线性~inf控制器.和线性~inf控制器比较起来具有非常诱人的吸引力11)鲁棒控制;1981年Zames首次用明确的数学语言描述了基于经典设计理论的优化设计问题,提出用传递函数阵的~inf范数来记述优化指标.1984年加拿大学者Francis和Zames用古典的函数插值理论,提出了这种设计~inf问题的最初解法;而英国学者Glover则将~inf设计问题归纳为函数逼近问题,并用~ankel 算子理论给出了这个问题的解析解;Glover的解法又被Doyle在状态空间上进行了整理并系统地归纳为~inf控制问题,至此,~inf控制理论体系已经初步形成[47].Song,G.;Cai,L[48]将柔性机械臂系统分成两个子系统;刚性子系统和柔性子系统柔性子系统的输出假定为刚性子系统的输入.设计了鲁棒控制器.Bossert David和Ly uy-Loi[49]研究了降阶的综合鲁棒位置/力控制器.并且和没有降阶的位置/力控制器做了比较.Yazdanpanah M.J.和Khorasani,K.[46]设计了一个非线性~inf控制器对柔性机械臂进行控制.12)其它控制方法;以上描述了用于各种情形的柔性机械臂的控制技术,各有所长.在实际的柔性机械臂的控制中,经常利用前述的各种控制方法组成的复合控制,这种98第24卷第1期王树新等;柔性机械臂建模理论与控制方法研究综述复合控制经常会收到更加明显的控制效果.NilssOnBernt和Nygards JOnasl[50]研究了在端部带有摄像头的柔性机械臂控制问题.是一种视觉伺服控制系统问题主要是对机械爪进行定位控制.有内环和外环内环主要是对偏差和外部扰动进行快速衰减控制.而外环主要是对连杆的位置进行刚性运动控制保持运动的稳定性.Sharf I[51]为解决柔性机械臂的振动抑制的问题在长的柔性机械臂(LRM)的末端加上一个短的刚性机械臂(SRM)利用对柔性臂反作用力的控制来实现振动抑制.将反作用力作为一个控制变量.这是一种主动衰减.Lin Z.C.和PatelR.V[52]提出了一种新的控制策略:(因为现存的控制基本上都是针对关节控制和不具有冗余度的柔性机械臂来说的)综合笛卡儿关节控制主要是针对具有冗余自由度的柔性机械臂来说的.它由笛卡儿轨迹跟踪控制器~连杆跟踪控制器和电机跟踪控制器组成.4结论(Conclusion)柔性机械臂本质上是一个具有无穷多自由度的柔性系统要清楚描述柔性所带来的动力学效应首先必须建立精确的动力学模型.一般情况下机器人系统的柔性主要包括臂杆本身存在的分布的柔性和驱动关节的柔性已经有很多学者在以往的研究中对柔性机械臂的建模进行了深入的研究对具有不确定性参数的柔性机械臂建模的研究是今后的一个重要研究方向.在柔性机械臂的控制上许多专家学者给出了比较好的控制策略并且取得了比较好的控制结果.但是由于柔性臂的复杂性和控制系统硬件的局限性满足工程有效应用的柔性机械臂控制器尚不成熟这也是今后我们所面对的重要挑战.参考文献(Ref erences)1TOkhi M O.MOhamed Z.Finite difference and finite element apprOaches tO dynamic mOdeling Of a flexible manipulatOr.PrOceedings Of the InstitutiOn Of Mechanical Engineers.Part I JOurnal Of systems ScOntrOl Engineering1997 2ll(2):145 156 2Fattah A Angles J.Dynamics Of twO cOOperating flexible-link manipulatOrs-planar case.TransactiOns Of the Canadian SOciety fOr 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26(2):176-18354刘妹琴陈际达.一种基于RBF神经网络的机器人柔性臂的自适应控制.机器人1999 21(7):488-49355樊晓平徐建闽毛宗源周其节.受限柔性机器人臂的自适应模糊力/位置控制.机器人1999 21(6):455-46556丁希仑陈伟海张启先.空间机器人柔性臂动力学模糊控制的研究.北京航空航天大学学报1999 25(1):104-10757刘才山王建明阎绍泽刘又午.滑模变结构控制在柔性机械臂中的应用.天津大学学报.1999 32(2):244-24758王大龙陆佑方郭九大.单连杆柔性机械臂动力学模型分析.吉林工业大学学报.1998 28(2):51-5659王大龙陆佑方陈塑寰李晓光.双连杆柔性机械臂的非线性轨迹跟踪控制.吉林工业大学学报.1996 26(2):53-5860李善姬金在权刘龙哲.双连杆柔性机械臂的轨迹控制.延边大学学报2000 26(1):44-47(下转第96页)19第24卷第1期王树新等:柔性机械臂建模理论与控制方法研究综述。
柔性机械手臂的建模与仿真分析
柔性机械手臂的建模与仿真分析引言柔性机械手臂是一种新兴的机器人技术，其具备高度柔性和精确控制的特点，广泛应用于各个领域，如工业制造、医疗护理和服务行业等。
本文将介绍柔性机械手臂的建模和仿真分析方法，以及其在实际应用中的意义。
一、柔性机械手臂的基本原理柔性机械手臂由柔性杆件和关节组成，其柔性杆件是通过弯曲、伸缩和扭转等形变实现运动。
为了实现精确控制，柔性机械手臂需要建模和仿真分析。
二、柔性机械手臂的建模方法1. 杆件建模：柔性机械手臂的杆件建模是建立其几何和物理属性的基础。
可以采用有限元方法对柔性杆件进行建模，通过划分杆件为小单元，并考虑其材料特性和几何形状，可以得到杆件的刚度和弯曲响应等信息。
2. 关节建模：柔性机械手臂的关节部分需要考虑其运动学和动力学特性。
可以通过旋转关节或弹性关节进行建模，在进行关节建模时，需要考虑其摩擦、阻尼和刚度等参数，并将其与杆件模型相连接。
三、柔性机械手臂的仿真分析方法1. 运动学分析：柔性机械手臂的运动学分析是确定其末端执行器位置和方向的过程。
可以通过数学建模和仿真分析获得机械手臂在不同关节角度下的末端位姿，进而实现路径规划和轨迹生成。
2. 动力学分析：柔性机械手臂的动力学分析是研究其运动过程中产生的力和扭矩等参量的过程。
通过动力学建模和仿真分析，可以得到机械手臂的运动学及动力学性能指标，为控制策略的设计提供依据。
3. 控制策略设计：柔性机械手臂的控制策略设计是实现精确控制和运动规划的关键。
可以采用PID控制、自适应控制和模糊控制等方法，通过仿真分析确定最佳的控制参数，并进行实时控制系统的设计和调试。
四、柔性机械手臂的应用意义柔性机械手臂在工业制造、医疗护理和服务行业等领域具有广泛的应用前景。
在工业制造领域，柔性机械手臂可以实现精准装配和柔性生产，提高生产效率和质量；在医疗护理领域，柔性机械手臂可以实现精确的手术操作和康复治疗，为患者提供更好的医疗服务；在服务行业，柔性机械手臂可以代替人工完成一些重复性和危险的工作，提高工作效率和安全性。
柔性臂机器人控制算法综述
Ｋ ｙ ｗ ｒ ｓ ｏ ｏ ｓ ｌ ｘｂｅ ｌ ｋ ｍａ ｉ ｕａｏ ｓ ｒｊｃｏ ｙ ｃ ｎ ｒ ｌ ｉ ｒｔ ｎ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｏ ｄ ：ｒ ｂ ｔ；ｆ ｉｌ ｉ ｎ ｐ ｌｔｒ；ｔａｅ ｔｒ ｔ ；ｖｂ ａｉ ｏ ｔｏ ；ｍｏ ｅｉｇ ｅ ｎ ｏ ｏ ｏ ｄｌ ｎ
假 设 模 态 法” 其 次 是 Ｎｅ ｔｎ Ｅ ｌ Ｊ ， ｗ ｏ ． ｕｅ ｒ法 ， 及 有 限 以 元 法 神 经 网 络 法 和 虚 拟 刚性 臂 等 方 法 。 性 柔
（ 尔 滨 ｓ 业 大 学 机器 人 研 究 所 ， 龙 江 哈 尔 滨 哈 Ｉ ２ 黑 １ ０１ ５ ０） ０
摘
要： 柔性臂 具有 质 量 轻 、 性 小和 能耗 低 等优 点 ， 替代 笨 重 刚性 机 械 臂 的理 想 选 择 。 于 柔性 惯 是 由
臂 在 运 动 时要产 生振 动 ， 因此 对其 控 制 算 法的研 究 显得 十分 重要 。 文 以 多连杆 柔性 臂 为 主 ， 柔 性 本 对 臂 机 械 手关 节控 制 的各 种 方 法进 行 了 系统地 综述 ， 内容 涉及 由经典 ＰＤ 算 法到 无模 型 智 能 控 制 的 控 Ｉ
Ａ ｕ ｖ ｙ ｏ ｏ ｔ ｏ ａ ｇ ｒｔ ｍ ｓ ｆ ｒ ｆｅ ｉ ｌ ｉ ｋ ｍ ａ ｉ ｕ ａ ｏ ｓ ｓ ｒ ｅ ｆ ｃ ｎ ｒ ｌ ｌ ｏ ｉｈ ｏ ｘ ｂ ｅ ｌ ｌ ｎ ｎ ｐ ｌ ｔ ｒ
ＤＡＩ Ｘｕｅ ｆ ｎ ， ＳＵＮ Ｌｉｎｉ ｇ ＬＩ Ｐｉ ｋ ｎ， Ｃ ＡＩ Ｈ ｅ ｇ ｏ —ｅ ｇ — ｎ ， Ｕ ｎ— ｕａ —ａ
ｏ ｔ ｈ ｏｙ ｎ ａ ｄｔ ｎ ｈ ａ ｓ ｄ ａｉ ｉ ｃ ａｔ ｉ ｈ ｎ ｃ ｎ ｕ ｔ ｏｎ ｏ ｔ ｃ ｎｒ ｌｔ ｅ ｒ ．Ｉ ｄ ｉ ｏ ，ｔ ｅｍｅ ｎ ｅ ｌ ｇ ｗ ｔ ｈ ｔ ｒ ｇ ｗ ｅ ｏ ｄ ｃｉ ｇ ｊ ｉ ｔｃ ｎ ｒ ｌ ｏ ｉ ｎ ｈ ｅｎ ｎ ｏ
柔性机械臂的运动规划与轨迹跟踪
柔性机械臂的运动规划与轨迹跟踪柔性机械臂是一种具有高度自适应性和柔韧性的机器人手臂。
与传统刚性机械臂相比，柔性机械臂具有更大的工作半径和更广泛的应用领域。
然而，由于其柔性特性，柔性机械臂在运动规划和轨迹跟踪方面面临着更大的挑战。
运动规划是指确定机械臂在给定环境中的合理运动路径的过程。
对于柔性机械臂而言，由于其可变形的特性，运动规划更加困难。
首先，柔性机械臂的形态可以通过调整关节角度和弯曲度来变化，因此，需要在运动规划过程中考虑到其柔性特性。
其次，由于柔性机械臂的可变形性，传统的刚性机械臂的运动规划算法无法直接应用于柔性机械臂。
因此，研究人员提出了许多针对柔性机械臂的新算法，例如使用有限元分析来建模和仿真柔性机械臂的运动规划过程。
柔性机械臂的轨迹跟踪是指在给定的运动轨迹下，机械臂能够准确地跟随该轨迹的能力。
由于柔性机械臂的挠曲和摆动，其轨迹跟踪更加困难。
为了解决这个问题，研究人员提出了许多改进算法，如自适应控制算法、预测控制算法和模糊控制算法。
这些算法通过感知和调整机械臂的运动状态，使得机械臂能够更好地跟踪给定的轨迹。
除了运动规划和轨迹跟踪，柔性机械臂还面临其他挑战。
首先，柔性机械臂的模型复杂度很高，需要建立准确的动力学和控制模型。
其次，柔性机械臂的运动过程中容易受到外界干扰，如风力和地面摩擦力。
因此，在运动规划和轨迹跟踪中，需要考虑到这些干扰因素，以保证机械臂的稳定性和准确性。
为了应对这些挑战，研究人员提出了许多解决方案。
例如，利用传感器技术对柔性机械臂的形态和运动状态进行实时监测和反馈控制。
此外，使用先进的控制算法和优化方法来优化运动规划和轨迹跟踪过程。
这些解决方案的实施将提高柔性机械臂的准确性、可靠性和适应性。
总结起来，柔性机械臂的运动规划和轨迹跟踪是一项具有挑战性的任务。
通过不断研究和创新，我们可以克服这些挑战，提高柔性机械臂的性能和应用范围。
未来的发展将进一步推动柔性机械臂技术在工业自动化、医疗器械和救援行业中的应用。
机械臂发展情况汇报
机械臂发展情况汇报机械臂作为一种重要的工业自动化装备，近年来在各个领域得到了广泛的应用和发展。
本文将就机械臂的发展情况进行汇报，分析当前的发展趋势和未来的发展方向。
首先，机械臂在工业领域的应用越来越广泛。
传统的工业机械臂主要用于汽车制造、电子产品组装等领域，但随着人工智能和机器视觉技术的发展，机械臂已经开始在食品加工、医药制造、物流仓储等领域得到了广泛的应用。
特别是在电商物流领域，机械臂的应用可以大大提高物流效率，降低成本，受到了越来越多企业的青睐。
其次，机械臂的技术水平不断提高。
随着传感器、执行器、控制系统等关键技术的不断进步，机械臂的精度、灵活性和自主性能得到了大幅提升。
例如，柔性机械臂的出现使得机械臂可以更好地适应复杂的工作环境，同时，轻量化、高强度材料的应用也使得机械臂的负载能力得到了提升。
这些技术的突破为机械臂在更多领域的应用奠定了技术基础。
再次，机械臂的发展呈现出智能化和柔性化的趋势。
随着人工智能和大数据技术的不断发展，智能机械臂开始逐渐走进人们的生活。
智能机械臂可以通过学习和优化算法，更好地适应复杂的工作场景，并且可以实现与人类的协作，提高生产效率。
同时，柔性机械臂的出现也使得机械臂可以更好地适应不同的任务需求，实现多样化的应用。
最后，机械臂的发展面临着一些挑战和机遇。
一方面，随着机械臂的应用领域不断拓展，对机械臂的精度、安全性、成本等方面提出了更高的要求，这需要不断推动机械臂关键技术的创新和突破。
另一方面，随着我国制造业的转型升级，机械臂市场也面临着巨大的机遇，我国机械臂市场规模不断扩大，市场需求不断增长，这为机械臂产业的发展提供了广阔的空间。
综上所述，机械臂作为一种重要的工业自动化装备，其发展前景广阔。
随着技术的不断进步和市场需求的不断增长，相信机械臂在未来会有更加广阔的发展空间，带来更多的创新和应用。
我们将继续关注机械臂的发展动态，不断推动机械臂产业的创新和发展，为我国制造业的转型升级做出更大的贡献。
柔性机械臂综述
偏微分方程
常微分方程处理
有限段法 集中质量法 假设模态法
• (3)建模方法 柔性机器人动力学建模方法主要有两类 ： 优点：易于形成递推形式的动力学方程 Kane 方程其特点是形式简洁 ,不必 缺点：方程中出现了相邻体间的内力项 Lagrange方程和 Hamilton 原理避免相邻体间内力项 , 考虑相邻体间的内力项 ,可实现动力 矢量力学方法 其优点是可结合控制系统进行综合分析 ,便于动力 学方程的计算机符号推导。 分析力学方法 学模型向控制模型的转化。 早期的研究以 Newton - Euler法为主 ,此外Lagrange方 程、 Hamilton 原理和 Kane 方程等在柔性机器人动力学 分析中也都得到了比较广泛的应用。 • (4)近似分析 柔性机器人运动的特点是大范围刚体运动与弹性变形。 传统的近似分析方法源于机械振动理论 包括： 运动弹性静力分析 运动弹性动力分析方法 KED 方法：忽略了弹性振动对大范围刚体运动的影响
n n 2 i sx sg X i qi sin sgx cos dx M sx X i q 0 i 1 i 1 • 进一步整理得常微分方程组： t
• 3 用假设模态法对分布参数系统进行离散化 n
B cos 2q i pi2(9)模糊与神经网络控制
• (10)非线性反馈控制 • (11)鲁棒控制
关节作动系统控制规律设计
关节作动系统控制是柔性机器人减振的主要途径。 这方面的研究主要包括： 开环控制 基于线性系统的闭环控制 基于非线性系统的闭环控制
结论
• 综述了柔性机器人的研究现状 ,对变形的描述、变形场的 离散化、建模方法、近似分析、及关节作动系统控制律设 计等关键问题进行了详细阐述。 • 柔性机器人的动力学与控制问题属机械科学的前沿领域 , 它涉及了机器人学、机械动力学、优化设计及控制理论等 多个学科 ,交叉性极强。为提高分析模型的可靠性与工程 应用的可实现性 ,必须经过数值仿真 →模型实验和模型实 验 →数值仿真的反复修正过程。
柔性机械臂发展历程
柔性机械臂发展历程
柔性机械臂的发展历程可以追溯到二十世纪初。
最初，研究人员主要关注于刚性机械臂的开发和应用。
然而，随着科技的进步和工业需求的变化，人们逐渐意识到刚性机械臂在某些情况下存在局限性，例如在与人类进行密切互动时可能会造成安全隐患。
因此，柔性机械臂的概念开始引起研究人员的兴趣。
柔性机械臂相较于刚性机械臂而言，具有更高的灵活性和适应性。
它可以模仿自然界中的生物运动，具有更好的适应性和延展性。
因此，柔性机械臂可以适应不同形状、大小和质地的物体，并且可以更加精确地进行操作。
在柔性机械臂的发展历程中，研究人员采用了各种不同的技术和材料。
最初的柔性机械臂主要是基于传统的机械结构，使用弹簧、软管和液压驱动来实现灵活性。
然而，这种方法的可扩展性和精确性都存在一定的局限性。
随着电子技术和传感器技术的发展，柔性机械臂得到了进一步的改进。
研究人员开始探索使用电动驱动和传感器来实现柔性机械臂的精确控制和感知能力。
同时，新型材料如碳纳米管和聚合物也被应用到柔性机械臂的设计中，以提升其性能。
近年来，随着人工智能和机器学习的快速发展，柔性机械臂进入了一个全新的阶段。
研究人员开始探索如何通过深度学习算法和感知技术来提升柔性机械臂的智能水平和自适应能力。
这使得柔性机械臂能够更好地适应不同的操作任务和环境条件，
并且能够实现与人类的协作。
总结而言，柔性机械臂的发展历程经历了从传统的机械设计到电子技术和新材料的应用，再到智能化和自适应能力的提升的过程。
随着技术的不断进步和应用领域的扩大，柔性机械臂将继续在工业、医疗和服务等领域发挥重要作用。
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• (9)模糊与神经网络控制
• (10)非线性反馈控制 • (11)鲁棒控制
关节作动系统控制规律设计
关节作动系统控制是柔性机器人减振的主要途径。 这方面的研究主要包括： 开环控制 基于线性系统的闭环控制 基于非线性系统的闭环控制
结论
• 综述了柔性机器人的研究现状 ,对变形的描述、变形场的 离散化、建模方法、近似分析、及关节作动系统控制律设 计等关键问题进行了详细阐述。 • 柔性机器人的动力学与控制问题属机械科学的前沿领域 , 它涉及了机器人学、机械动力学、优化设计及控制理论等 多个学科 ,交叉性极强。为提高分析模型的可靠性与工程 应用的可实现性 ,必须经过数值仿真 →模型实验和模型实 验 →数值仿真的反复修正过程。
n n 2 i sx sg X i qi sin sgx cos dx M sx X i q 0 i 1 i 1 • 进一步整理得常微分方程组： t
• 3 用假设模态法对分布参数系统进行离散化 n
B cos 2q i pi2 qi Ai q i i
(6)自适应控制
• (7)PID控制：常通过调整控制器增益构成自校正控制器或 变结构控制系统是一种不连续的反馈控制系 与其它控制方法结合构成复合控制系统以改善控制器性 统 ,其中滑模控制是最普遍的变结构控制 主要特点之一是控制系统设计 能。 并不需要通常意义上的被控对象的数学模型 ,而是 需要操作者或专家的经验知识 ,操作数据等。 • (8)变结构控制
柔性机器人振动控制
(1)刚性化处理 (2)前馈补偿法
采用阻尼减振器、阻尼材料、复合型阻尼金 属板、阻尼合金或用粘弹性大阻尼材料形成 附加阻尼结构 (3)加速度反馈控制
(4)被动阻尼控制
将系统划分成关 节子系统和柔性子系统 利用参数线性化的 (5)力反馈控制法方法设计自适应控制规则来辨识柔 性机械臂的不确定性参数 。
首先建立泛函：
1 t 2 I EI X sP 2 X 2 dx 2 0 为使泛函取最小，须有 I 0 得：
EI z 4 X P 2 X 0, X 0 0, X 0 0, X l 0, X l 0 s 求解固有频率 p 2 和振形函数X（x）。
n xi 1
F X F
1 0 i 1 1
i
F02X i 1 F12 i 1 }dx 0
• 5 常微分方程组的求解
为了方便编程上位机计算，方程组（C）（D）可用矩阵表 示为：
0 1 0 A 0 0 1 2 0 3 m l
0 0 E 0
q 2 pq B cos q R 1 T T A R m glcos B q sin 2
Thank you!
单杆柔性机械臂的建模
• 1 模型的抽象化与基本假定 • 2 基本方程的建立
2.1 坐标系 2.2 运动分析 杆L上任一点（x,y）的位置矢量： Oζη坐标系转动的角度：
r ( x z)i u j
k w θ
点（x,y）相对于Oζη系的速度： i u j Vr z 点（x,y）的绝对速度：
n 1 2 1 i ml M mglcos s Bi qi sin Ai q 3 2 i 1 i 1 n
Ai sxX i dx, Bi sgXi dx,
t
t
• 4 用有限元法求弹性杆的模态
工作汇报
柔性机械臂的的优点
• 柔性机械臂具有的优点: (1)用料少 (2)重量轻 (3)耗能低 • 缺点： 弹性变形 • 因此 ,在保持上述优点的前提下 ,必须开展对柔性机械臂结 构设计以及控制方法的研究。
典型的柔性机械臂示例
柔性机械臂的工业应用
Aerospace dual-arm flexible manipulator
偏微分方程
常微分方程处理
有限段法 集中质量法 假设模态法
• (3)建模方法 柔性机器人动力学建模方法主要有两类 ： 优点：易于形成递推形式的动力学方程 Kane 方程其特点是形式简洁 ,不必 缺点：方程中出现了相邻体间的内力项 Lagrange方程和 Hamilton 原理避免相邻体间内力项 , 考虑相邻体间的内力项 ,可实现动力 矢量力学方法 其优点是可结合控制系统进行综合分析 ,便于动力 学方程的计算机符号推导。 分析力学方法 学模型向控制模型的转化。 早期的研究以 Newton - Euler法为主 ,此外Lagrange方 程、 Hamilton 原理和 Kane 方程等在柔性机器人动力学 分析中也都得到了比较广泛的应用。 • (4)近似分析 柔性机器人运动的特点是大范围刚体运动与弹性变形。 传统的近似分析方法源于机械振动理论 包括： 运动弹性静力分析 运动弹性动力分析方法 KED 方法：忽略了弹性振动对大范围刚体运动的影响
)i [u ] j ( x z) u V Vr w r ( z
i [u )] j ( x 所以： V u 2.3 动能和势能的计算 :
2 1 t 1 t 2 2 2 x dx T sV dx s u u 0 0 2 2 1 t EI z u 2 sg x sin u cos dx 2 0
•
(2)变形场的离散化
有限段法容易 计入几何非线性的影响 , 模态函数的选取通常有两种方法 ： 比较适合于含细长构件 约束模态法与非约束模态法。 的柔性机器人系统 ,理论 假设模态法建立的动力学方程规模较小 , 该方法条理清晰 , 适用于构件形 常见的离散化方法包括： 推导程式化 。 ,在仿真与实时控制 便于提高计算效率 状比较复杂的柔性机械系统。 ,但在描述复杂结 有限元法 方面具有一定的优势 构的振动模态时常会遇到较大困难。
（A） （B）
令： u q i t X i x 代入（A），（B）式中，得： n n d 4 n i 1 sg cos s 2 q X i X i sx EI z 4 qi X i s q i i dx i 1 i 1 i 1
方法： 在区间[xi,xi+1]中，X用Hermite插值多项式表示为：
2 X (i ) X i F0 i F X i 1F02 i 1F 1
（E）
把E,F式代入δI=0中，有
1 1 2 2 I {EI z F0 X i F1 i F0 X i 1 F1 i 1 xi i 1 F 1X F 1 F 2X F 2 0 i 1 i 0 i 1 1 i 1 Sp2 F01 X i F11 i F02 X i 1 F12 i 1
2.4 动力学方程 t * dt 0 T A 利用Hamilton原理，即：0 * 其中 A M 整理后可得到运动微分方程：
1
sg cos su 2 sx EI z u 4 su u 2 u dx sg u sin x cos dx M x x 2 s 2uu
0 E 0
• 本方法可以推广到多杆柔性系统。
柔性机器人动力学分析
主要任务： 模化柔性体的相对变形 需要解决如下几个重要问题: (1)变形的描述; (2)变形场的离散化; 相对坐标描述适合于 (3)建模方法; 开链机构的动力学分析 ,也可借 助运动约束方程而应用于闭链 该方法特别适用于 (4)近似分析。机构。这种方法有利于小应变 大变形的几何非线性问题。 构件的离散化与线性化 (1)变形的描述 优点：相对简单的动力学方程 , 缺点：大大增加了广义坐标的数目 根据选择参照系的不同 ,一般可分为： , 相对坐标描述 绝对坐标描述