一种柔性机械臂旋转运动和振动的主动控制方法
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2012 年 第 31 卷
4月 第4 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
April Vol． 31
2012 No． 4
一种柔性机械臂旋转运动和振动 的主动控制方法
1 1 韩清鹏 ， 于晓光 ， 唐 （
2
School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110004 ）
Abstract： The PZT material was selected in this paper to control the vibration of flexible manipulator． The inverse piezoelectric effects of the PZT material and the principle of suppressing vibration were introduced． PZT actuators and joint control torque were respectively used to control vibration and rotary motion of flexible manipulator． The flexible manipulator was controlled to achieve the desired position in limited time by joint control torque and manipulator's vibration was actively controlled by PZT actuators during motion． The dynamic equations of flexible manipulator system were established． PZT actuators control strategy and joint control torque were designed． The numerical simulation results proved the method of the designed PZT actuator control strategy and joint control torque was effective． Key words： flexible manipulator； joint torque control； PZT actuators； vibration control 柔性机械臂具有操作速度快、 能量消耗少、 构件 紧凑、 载荷质量比大等优点， 在现代工业中得到广泛 的应用。但是， 由于其高速运动时刚体运动与和弹 性变形相互耦合， 容易产生高频振动， 且其末端运动 往往偏离较大， 直接影响系统的稳定与控制精度 。 例如， 加工机械臂在高速运行时， 其定位精度会受到
1
2 2 玲， 高培鑫
辽宁科技大学 机械工程与自动化学院，鞍山 114051 ；
2
韩清鹏
东北大学 机械工程与自动化学院， 沈阳 110004 ）
要： 利用 PZT 压电作动器和关节力矩控制相结合的方法实现对柔性机械臂旋转运动的控制和 机械臂振动的主动控制。压电作动器可以对柔性机械臂的弹性振动进行控制 ， 关节控制力矩使得 摘 柔性机械臂在有限时间内到达预定位置 。 利用 Lagrange 原理建立了柔性机械臂系统的动力学模 型， 并设计了相应的 PZT 压电作动器的控制律和关节控制力矩 。对该控制方法进行数值仿真的结 果证明： 该方法对柔性机械臂振动控制和机械臂旋转运动是有效的 。 关 键 词： 柔性机械臂； 关节力矩控制； PZT 压电作动器； 振动控制 中图分类号： O313. 1 文献标识码： A 8728 （ 2012 ） 04068504 文章编号： 1003-
An Active Control Method for Vibration and Rotary Motion of Flexible Manipulator
Han Qingpeng1 ，Yu Xiaoguang1 ，Tang Ling2 ，Gao Peixin2
（ 1 College of Mechanical Engineering，Liaoning Science and Technology University，Anshan 114051 ；
［1 ］ 机械臂小变形弹性振动的严重影响 。 目前， 柔性机械臂的振动控制策略主要有 PD
控制等方法 制
［5 8 ］
［2
4 ］
。 利用压电陶瓷、 形状记忆合金等
智能材 料 结 构 可 以 实 现 机 械 结 构 振 动 的 主 动 控 。本文中针对柔性机械臂旋转运动过程中出 提出将机械臂关节控制力矩 现的机械臂振动问题， 和 PZT 压电作动器控制律进行综合设计， 其中关节 控制力矩保证柔性机械臂旋转运动在有限时间内到 PZT 压电作动器用于对柔性机械臂的 达预定位置， 弹性振动进行控制， 并进行相应的数值仿真研究。 1 带压电作动器的柔性机械臂振动的主 动 控 制 PZT 压电作动器可以用来对柔性机械臂进行振 动控制。其基本原理是以压电材料作为受控结构的
控制、 最优控制、 变结构控制、 自适应控制以及智能
1222 收稿日期： 2010基金项目： 国家自然科学基金项目（ 10972192 ） 资助 作者简介： 韩清鹏（ 1973 － ） ， 讲师， 博士， 研究方向为机电一体化和 jnsdc@ sina． com 故障诊断，
原理
686
机械科学与技术
第 31 卷
传感器和作动器， 传感器感受振动产生的结构变形 ， 将其转变为电信号。利用一定的控制律产生控制信 号， 经放大后再施加于作动器， 通过作动器实现机械 结构振动的主动控制。 带有 PZT 压电作动器的柔性机械臂的控制原 当驱动电机作用于柔性机械臂使其 理如图 1 所示， 产生大范围运动时， 会引起柔性机械臂的振动。 此 时， 由粘贴在其上的电阻应变传感器获得弯曲振动 信号， 经动态应变仪滤波放大， 再经数据采集和转 输入到工控机。在工控机上实现控制算法， 控制 换， 信号经 D / A 转换为电压信号输出， 来驱动 PZT 压电 作动器产生相应的弯矩来抵消柔性机械臂的振动 。
4月 第4 期
机械科学与技术 Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering
April Vol． 31
2012 No． 4
一种柔性机械臂旋转运动和振动 的主动控制方法
1 1 韩清鹏 ， 于晓光 ， 唐 （
2
School of Mechanical Engineering and Automation，Northeastern University，Shenyang 110004 ）
Abstract： The PZT material was selected in this paper to control the vibration of flexible manipulator． The inverse piezoelectric effects of the PZT material and the principle of suppressing vibration were introduced． PZT actuators and joint control torque were respectively used to control vibration and rotary motion of flexible manipulator． The flexible manipulator was controlled to achieve the desired position in limited time by joint control torque and manipulator's vibration was actively controlled by PZT actuators during motion． The dynamic equations of flexible manipulator system were established． PZT actuators control strategy and joint control torque were designed． The numerical simulation results proved the method of the designed PZT actuator control strategy and joint control torque was effective． Key words： flexible manipulator； joint torque control； PZT actuators； vibration control 柔性机械臂具有操作速度快、 能量消耗少、 构件 紧凑、 载荷质量比大等优点， 在现代工业中得到广泛 的应用。但是， 由于其高速运动时刚体运动与和弹 性变形相互耦合， 容易产生高频振动， 且其末端运动 往往偏离较大， 直接影响系统的稳定与控制精度 。 例如， 加工机械臂在高速运行时， 其定位精度会受到
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2 2 玲， 高培鑫
辽宁科技大学 机械工程与自动化学院，鞍山 114051 ；
2
韩清鹏
东北大学 机械工程与自动化学院， 沈阳 110004 ）
要： 利用 PZT 压电作动器和关节力矩控制相结合的方法实现对柔性机械臂旋转运动的控制和 机械臂振动的主动控制。压电作动器可以对柔性机械臂的弹性振动进行控制 ， 关节控制力矩使得 摘 柔性机械臂在有限时间内到达预定位置 。 利用 Lagrange 原理建立了柔性机械臂系统的动力学模 型， 并设计了相应的 PZT 压电作动器的控制律和关节控制力矩 。对该控制方法进行数值仿真的结 果证明： 该方法对柔性机械臂振动控制和机械臂旋转运动是有效的 。 关 键 词： 柔性机械臂； 关节力矩控制； PZT 压电作动器； 振动控制 中图分类号： O313. 1 文献标识码： A 8728 （ 2012 ） 04068504 文章编号： 1003-
An Active Control Method for Vibration and Rotary Motion of Flexible Manipulator
Han Qingpeng1 ，Yu Xiaoguang1 ，Tang Ling2 ，Gao Peixin2
（ 1 College of Mechanical Engineering，Liaoning Science and Technology University，Anshan 114051 ；
［1 ］ 机械臂小变形弹性振动的严重影响 。 目前， 柔性机械臂的振动控制策略主要有 PD
控制等方法 制
［5 8 ］
［2
4 ］
。 利用压电陶瓷、 形状记忆合金等
智能材 料 结 构 可 以 实 现 机 械 结 构 振 动 的 主 动 控 。本文中针对柔性机械臂旋转运动过程中出 提出将机械臂关节控制力矩 现的机械臂振动问题， 和 PZT 压电作动器控制律进行综合设计， 其中关节 控制力矩保证柔性机械臂旋转运动在有限时间内到 PZT 压电作动器用于对柔性机械臂的 达预定位置， 弹性振动进行控制， 并进行相应的数值仿真研究。 1 带压电作动器的柔性机械臂振动的主 动 控 制 PZT 压电作动器可以用来对柔性机械臂进行振 动控制。其基本原理是以压电材料作为受控结构的
控制、 最优控制、 变结构控制、 自适应控制以及智能
1222 收稿日期： 2010基金项目： 国家自然科学基金项目（ 10972192 ） 资助 作者简介： 韩清鹏（ 1973 － ） ， 讲师， 博士， 研究方向为机电一体化和 jnsdc@ sina． com 故障诊断，
原理
686
机械科学与技术
第 31 卷
传感器和作动器， 传感器感受振动产生的结构变形 ， 将其转变为电信号。利用一定的控制律产生控制信 号， 经放大后再施加于作动器， 通过作动器实现机械 结构振动的主动控制。 带有 PZT 压电作动器的柔性机械臂的控制原 当驱动电机作用于柔性机械臂使其 理如图 1 所示， 产生大范围运动时， 会引起柔性机械臂的振动。 此 时， 由粘贴在其上的电阻应变传感器获得弯曲振动 信号， 经动态应变仪滤波放大， 再经数据采集和转 输入到工控机。在工控机上实现控制算法， 控制 换， 信号经 D / A 转换为电压信号输出， 来驱动 PZT 压电 作动器产生相应的弯矩来抵消柔性机械臂的振动 。