关于机械手臂控制方案的研究

关于机械手臂控制方案的研究

摘要：本文通过机械手臂的动力学模型的创建和机械手臂的控制方案等，来对机械手臂的控制情况进行一些浅显的研究。

关键词：机械手臂控制方案

随着科技的快速发展，运用机器来代替人工进行工业生产等已经成为一个重要发展趋势而受到广泛的关注。因此，机械手臂的控制方案研究就成为了非常重要的科研项目。本文就机械手臂的控制方案进行了一些研究。

1 机械手臂动力模型的构建

1.1 机械手臂柔性体变形的描述

柔性体变形的描述是作为机械手臂动力模型构建的基础，也是研究机械手臂控制方案的基础。常见的柔性体变形的描述主要有以下几种方法：有限元法、有限段法以及拟态综合法等。

(1)有限元法。有限元法是用于工业机械复杂结构运算的最广泛的数值解法。它主要是将一个具有连续性的整体通过理想化成有限个单元集合体进行逐个求解。也就是将复杂的问题进行简单化处理的一种算法。尽管这种算法有广泛的应用，但其求解量非常的庞大，且所获得动力学求解方程也非常的复杂。

(2)有限段法。这种算法主要是针对于一些细长的零件的描述。将细长的零件进行分段，并将分段后的优先段作为刚体进行描述。因此，有限段法的描述具有时变性、且只能够适用于小应变假设。

1.2 拟态综合法

通过对系统中的子结构进行拟态，并综合拟态结果，构成整个系统的拟态。这个过程是依靠于自由振动的特征值的求解来实现的，主要用于连杆变形的描述。这种方法的计算量很少，所以计算速率很高，且方法简单。但基于这种描述上的机械手臂的控制方案存在稳定性的问题。

2 建立动力学方程

机械手臂的动力学模型主要分为连续动力学模型和离散动力学模型。但无论是那种动力学模型的建立，都需要以矢量力学法和分析力学法作为基础研究方法进行研究。常见的和比较成熟的动力学方程式是Newton-Euler公式和Lagrange方程。此外还有变分原理、虚位移原理等。

2.1 Newton-Euler公式

Newton-Euler公式可以很完整的表达系统的受力关系，是根据质心动量矩定理而来的隔离体动力方程，是很多动力学模型的规范形式，也是构建动力学模型的主要手段之一。但其存在着计算量大、计

算效率低等问题。

2.2 Lagrange方程

主要是根据能力来构建的方程。这个方程只能够应对比较简单的机械手臂的动力学模型的构建，如果机械手臂的结构过于复杂，则使得运算的结构也会变得非常的复杂繁琐。

2 机械手臂控制方案的研究

对机械手臂进行控制，一般会有以下的几种方案：

2.1 刚性化的控制方案

所谓刚性化的控制方案就是指，忽略机械结构弹性变形的影响，将机械结构的刚体运动作为主要考虑的对象。譬如，NASA的遥控太空手就是为了避免机械结构有太大的弹性变形问题会对机械手臂稳定性和精度的影响，所以将机械手臂的最大角速度设定为0.5deg/s。

2.2 前馈补偿的控制方案

当机械手臂发生变形时，会产生机械振动，这种机械振动会对机械结构的刚体运动产生干扰。如果想将这种干扰进行抵销，就需要通过前馈补偿的控制方案来实现。在前馈补偿控制方案的研究中，德国的Bernd Gebler就通过弹性杆和弹性关节实现了对工业机器人机械手臂的前馈补偿控制。其次还有我国的张铁民，他所研究的前馈补偿

控制方案对于机械控制系统的残余振动有非常明显的抵销作用，是通过增加零点的方式设计了具有时间延时功能的前馈控制器，有效的抵销了机械控制系统的主导极点以及控制系统的不稳定性。此外，还有很多中外学者对前馈补偿控制方案进行了研究，并有广泛的应用性。

2.3 末端轨迹的控制方案

机械手臂在进行运动中，因为各种原因的影响，使控制中存在末端轨迹控制的问题。在国外，Khorrarni Farshad等人研究出通过在末端提高速度的反馈控制方案有效的对末端轨迹问题实现了控制。

2.4 被动控制方案

机械手臂在进行运动中，会因为相对弹性变形问题而产生机械振动。为了能够有效的控制相对弹性变形所产生的振动问题，一般会采用耗能或是储能的机械材料来设计机械手臂。当然，也有通过增加阻尼材料来进行被动阻尼控制的情况。从目前来看，运用粘弹性大阻尼材料来设计机械手臂已实现控制作用的研究得到了广泛的关注和重视。

2.5 力反馈的控制方案

所谓力反馈控制方案主要是根据逆动力学分析而来的。首先，通过机械手臂末端所给定的运动来求出驱动端的力矩。然后，对驱动力矩通过运动或是力检测来实现反馈补偿，以抑制干扰性的机械振动。

2.6 自适应的控制方案

由于多连杆的机械手臂只有自驱动器到端点之间的动态特征是属于非最小相位系统，所以很多的自适应控制都不能够应用在机械手臂的控制上。但如果在连杆上施加一些外部的激励，将压力传感器和制动器安装在机械手臂的合适位置上，就能够将机械控制系统转变为最小相位系统，从而实现自适应控制对机械手臂的非线性和不确定参数的控制。一般的自适应控制方案需要与鲁棒控制方案相结合，从而实现机械手臂的控制。

2.7 鲁棒控制方案

机械手臂的机械系统可以分为两个部分，一个部分是刚性子系统，一个部分是柔性子系统。而鲁棒控制方案的设计就是，基于将刚性子系统的输入看作是柔性子系统的输出的假定上。鲁棒控制器可以有效的控制机械手臂的非线性问题。

2.8 PID控制方案

PID器因为其操作简单、控制效果优良以及具有很强的实用性而被广泛的应用。有独立使用的自校正PID控制器，主要是通过调整控制器的增益来实现对刚性机械手臂的控制。此外，还可以通过与其他控制方案相结合的形式来进行机械手臂的控制，这样可以弥补PID的不足，增加PID的控制性能。譬如Ozen和Figen就是通过PID控制器和非线性控制器相结合的方法来实现机械手臂的控制的。这种控制

方案比原有的PID控制要具有更多的优点。

此外还有很多的机械手臂控制方案，在此就不做一一的介绍了。

3 结语

综上所述可以知道，如果想研究机械手臂的控制方案，首先需要建立精确和清晰的动力学模型，其次才是控制方案的研究。在机械手臂的控制方案的研究中，需要注意的是机械手臂的柔性研究。因为机械手臂的臂杆多出都存在着柔性，需要有很好的控制方案来发挥控制效果。

参考文献：

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