柔性机械臂

摘要

本文从无人车上的机械臂使用带有一定柔性的工具这一实际控制问题抽象出一种半柔性机械臂系统。以二连杆情形为例，为了解决连杆柔性问题，把连杆柔性建模成随机干扰，在一定的合理假设下建立带有柔性扰动的机械臂模型。其中动力学部分采用了牛顿-欧拉迭代动力学算法，而运动学采用了一种新的思路，和一般的柔性机械臂不同。然后，针对所建模型设计出一种类似双闭环的控制系统。其中内环采用鲁棒自适应PD控制，实现关节角跟踪，由三部分组成:线性PD反馈项，补偿动力学的自适应控制项，补偿建模不确定性的鲁棒控制项;外环采用基于梯度下降法的开环学习控制算法，即根据上一次轨迹跟踪误差来调整下一次的期望关节轨迹，实现的目的是笛卡尔轨迹跟踪控制。最后，在MATLAB中进行了实际系统的仿真，验证了算法具有一定的可行性，并提出改进方向。

关键词: 半柔性;机械臂;自适应;学习控制

Abstract

In this paper,one kind of semi-flexible manipulator system is abstracted from the realistic control problem of the manipulator in automated vehicle using one to ol，which is flexible to some extent, to perform the task . For solving the link flexible problem , under some reasonable assumptions, a semi-flexible manipulator system is modeled with the link flexibility of the tool being stochastic disturbance. It’s a simple case ,where the manipulator has only t w o links . The Newton-Euler iterativ e algorithm is used in dynamic modeling process. However, the kinematics uses another new idea ,which is differen t from the conventional thinking of flexible manipulators. Then one control system lik e dual-closed-loop is designed for Cartesian space trajectory tracking. The inner loop ,whose ob jectiv e is realizing joi n t space trajectory tracking uses the robust adaptiv e PD controller,consisting of a linear PD feedback part, a nonlinear adaptiv e feedback part to compensate for the dynamics of robot and a robust control part to compensate for the stochastic disturbance. Th e outer loop ,whose objec tiv e is the same as the whole control system, uses open-looped learning controller based on the gradien t descen t method. That is to say ,according to the last time tra jec tory errors, the learning controller plans the next time desired join t space trajectory. The simulation is carried out in Matlab , which shows the control method is feasible to some extent. After that , some impro v emen t directions concerning the control system is proposed.

Key words: Semi-flexible; Manipulator; Adaptive; Learning control

第1 章绪论

本章将要介绍此次毕业设计的选题内容、研究背景和意义、本文的安排，并

简要说明作者所做的工作。

1.1 选题内容

机械臂作为机器人最主要的执行机构,对它的研究有着重要的意义。刚性机械

臂的研究己有比较成熟的理论，且取得了很好的效果。本课题针对具有部分柔性

连杆的机械臂系统进行数学建模，将柔性杆的影响建模为随机干扰，设计基于随

机模型的机械臂自适应控制算法，并利用MATLAB进行仿真验证。这种机械臂

系统是半柔性的，对应于很多的实际应用场合，故具有较大的研究意义。

1.2 研究背景和意义

随着上世纪60年代第一台工业机器人问世以来，机器人的应用己逐渐渗透到

航天、医疗、军事，甚至μ常生活及娱乐教育等各个领域。起初制造机器人更多

地目的是把它作为一种自动化装置，服务于制造业。随着理论和技术的μ益成熟，人们对机器人提出了越来越高的要求。越来越多的场合需要机器人或者机械臂这

种自动化装置为我们服务。

在当下比较热门的无人车上，如果加入机械臂，那它可以协助或者帮助人类

干很多事情，比如自动加油等。但是由于无人车上的机械臂的臂展长度在设计时

可能无法满足复杂多变的环境，因此有必要在实际操作中给机械臂提供一种工作

时的附件—工具，以提高它的工作范围满足各种灵活的需求。原来的机械臂主体

是刚性的，但加入的工具却可能是带有柔性的连杆，事实上有一定的柔性更符合

实际情况。在对机械臂进行控制时，比如轨迹跟踪控制，带有一定柔性的工具都

会对动力学模型产生很大影响。不能简单地把工具的影响当成扰动，而是需要把

工具当成整个机械臂系统的一部分。这样就扩展了本身的机械臂，组成了一个主

体是刚性的，而附件是柔性的半柔性机械臂系统。如图1-1所示，在负载质量块

的作用下，柔性附件工具产生了变形，这就组成了一种半柔性机械臂系统。它不

同于刚性机械臂，但是不如纯柔性机械臂那么复杂。因此为了实现对这种半柔性

机械臂系统的位置控制或者力控制，需要采用新的思路。

但是有一点，半柔性机械臂系统和柔性机械臂系统是一样的，它们都不仅仅