Forschungshintergrund

In den letzten Jahren hat mit der Entwicklung der Robotertechnologie die Anwendung von Roboterstrukturen mit hoher Geschwindigkeit, hoher Präzision und hohem Last-zu-Gewicht-Verhältnis viel Aufmerksamkeit in den Bereichen Industrie und Luft- und Raumfahrt auf sich gezogen. Durch die Erhöhung der Flexibilitätswirkung von Gelenken und Gliedern im Bewegungsablauf wird die Struktur verformt, was die Genauigkeit der Aufgabenausführung verringert. Daher muss die strukturelle Flexibilität des Robotermanipulators berücksichtigt werden, und auch die Systemdynamik muss berücksichtigt werden, um die hochpräzise und effektive Steuerung des flexiblen Manipulators zu realisieren. Der flexible Manipulator ist ein sehr komplexes dynamisches System. Seine dynamische Gleichung hat die Eigenschaften von Nichtlinearität, starker Kopplung und echter Variation. Die Etablierung seines Modells ist sehr wichtig, um die Dynamik des flexiblen Arms zu untersuchen. Der flexible Manipulator ist nicht nur ein nichtlineares System mit starrer elastischer Kupplung, sondern auch ein nichtlineares System mit elektromechanischer Kupplung. Der Zweck der dynamischen Modellierung besteht darin, eine Grundlage für die Beschreibung des Regelsystems und den Reglerentwurf bereitzustellen. Die Beschreibung des allgemeinen Steuerungssystems (einschließlich Zustandsraumbeschreibung im Zeitbereich und Beschreibung der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich) ist eng mit der Positionierung von Sensor / Aktor, der Informationsübertragung von Aktor zu Sensor und den dynamischen Eigenschaften des Manipulators verbunden.

Modellierungstheorie

Die dynamischen Gleichungen des flexiblen Manipulators werden hauptsächlich unter Verwendung der beiden repräsentativsten Gleichungen, der Lagrange-Gleichung und der Newton-Euler-Gleichung, aufgestellt. Darüber hinaus werden häufig das Variationsprinzip, das Prinzip der virtuellen Verschiebung und die Kane-Gleichung verwendet. Die Beschreibung der Verformung flexibler Körper ist die Grundlage für die Modellierung und Steuerung flexibler Manipulatorsysteme. Daher wird ein bestimmter Weg gewählt, um die Verformung flexibler Körper zu beschreiben, und die Beschreibung der Verformung steht in engem Zusammenhang mit der Lösung systemdynamischer Gleichungen.

Die Verformung flexibler Körper kann wie folgt beschrieben werden:

1) Finite-Elemente-Methode;

2) Finite-Segment-Methode;

3) Modales Syntheseverfahren;

4) Methode der konzentrierten Masse.

kinetische Gleichung

Ob kontinuierliche oder diskrete dynamische Modelle, ihre Modellierungsmethoden basieren hauptsächlich auf zwei grundlegenden Methoden: der Methode der Vektormechanik und der Methode der analytischen Mechanik. Newton-Euler-Formel, Lagrange-Gleichung, Variationsprinzip, virtuelles Verschiebungsprinzip und Kane-Gleichung sind weit verbreitet und ausgereift.

Kontrollstrategie

Der flexible Manipulator wird im Allgemeinen wie folgt gesteuert:

1) Starre Behandlung. Der Einfluss der elastischen Verformung der Struktur auf die Bewegung des starren Körpers wird dabei völlig vernachlässigt. Um beispielsweise eine übermäßige elastische Verformung zu vermeiden, die die Stabilität und die Genauigkeit der Endpositionierung des flexiblen Manipulators beeinträchtigt, beträgt die maximale Winkelgeschwindigkeit des ferngesteuerten Raumfahrzeugs der NASA 0,5 Grad/s.

2) Feedforward-Kompensationsmethode. Die durch die flexible Verformung des Manipulators verursachte mechanische Schwingung wird als deterministische Störung der starren Bewegung angesehen, und die Methode der Vorwärtskompensation wird verwendet, um dieser Störung entgegenzuwirken. Bernd Gebler aus Deutschland untersuchte die Vorsteuerung von Industrierobotern mit elastischer Stange und elastischem Gelenk. Zhang Tiemin untersuchte die Methode zur Eliminierung des dominanten Pols und der Systeminstabilität durch Hinzufügen von Null und entwarf einen Feedforward-Controller mit Zeitverzögerung. Im Vergleich zum PID-Regler kann er die Restvibration des Systems deutlicher beseitigen. Seering Warren P. und andere Wissenschaftler haben eingehende Forschungen zur Feedforward-Kompensationstechnologie durchgeführt.

3) Beschleunigungs-Feedback-Steuerung. Khorrami Farshad und Jain Sandeep untersuchten die Endtrajektoriensteuerung des flexiblen Manipulators mithilfe von Endbeschleunigungs-Feedback.

4) Passive Dämpfungssteuerung. Um den Einfluss der relativen elastischen Verformung des flexiblen Körpers zu reduzieren, werden verschiedene energieverbrauchende oder energiespeichernde Materialien ausgewählt, um die Struktur des Arms so zu gestalten, dass die Vibration kontrolliert wird. Oder die Verwendung eines Dämpfungsstoßdämpfers, Dämpfungsmaterials, einer zusammengesetzten Dämpfungsmetallplatte, einer Dämpfungslegierung oder eines viskoelastischen großen Dämpfungsmaterials, um eine zusätzliche Dämpfungsstruktur auf dem flexiblen Träger zu bilden, gehört zur passiven Dämpfungssteuerung. In den letzten Jahren hat die Anwendung von viskoelastischen großflächigen Dämpfungsmaterialien bei der Schwingungskontrolle von flexiblen Manipulatoren große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Rossi Mauro und Wang David untersuchten die passive Steuerung flexibler Roboter.

5) Force-Feedback-Steuerungsmethode. Die Force-Feedback-Steuerung der Schwingung des flexiblen Manipulators ist eigentlich ein Steuerungsverfahren, das auf einer inversen Dynamikanalyse basiert, d das Antriebsmoment wird durch Bewegungs- oder Krafterkennung rückkopplungskompensiert.

6) Adaptive Steuerung. Das System wird unter Verwendung einer kombinierten adaptiven Steuerung in ein gemeinsames Teilsystem und ein flexibles Teilsystem unterteilt. Das Parameterlinearisierungsverfahren wird verwendet, um adaptive Steuerregeln zu entwerfen, um die unsicheren Parameter des flexiblen Manipulators zu identifizieren. Der Nachführregler eines flexiblen Manipulators mit Nichtlinearität und Parameterunsicherheit wurde entwickelt. Der Reglerentwurf basiert auf dem robusten und adaptiven Reglerentwurf des Lyapunov-Verfahrens. Durch den Zustandsübergang wird das System in zwei Teilsysteme aufgeteilt. Adaptive Steuerung und robuste Steuerung werden verwendet, um die beiden Subsysteme jeweils zu steuern.

7) PID-Steuerung. Als beliebtester und am weitesten verbreiteter Regler wird der PID-Regler aufgrund seiner Einfachheit, Effektivität und Praktikabilität häufig bei der Steuerung von starren Manipulatoren verwendet. Es bildet oft einen selbstabstimmenden PID-Regler durch Anpassen der Reglerverstärkung oder ein zusammengesetztes Regelsystem in Kombination mit anderen Regelverfahren, um die Leistung des PID-Reglers zu verbessern.

8) Variable Struktursteuerung. Das Steuerungssystem mit variabler Struktur ist ein diskontinuierliches Rückkopplungssteuerungssystem, bei dem die Gleitmodussteuerung die gebräuchlichste Steuerung mit variabler Struktur ist. Seine Eigenschaften: Auf der Schaltfläche verfügt er über einen sogenannten Sliding-Modus. Im Gleitmodus bleibt das System unempfindlich gegenüber Parameteränderungen und Störungen. Gleichzeitig liegt seine Flugbahn auf der Schaltfläche. Das Gleitphänomen hängt nicht von Systemparametern ab und hat stabile Eigenschaften. Der Entwurf eines Reglers mit variabler Struktur erfordert kein genaues dynamisches Modell des Manipulators, und die Grenze der Modellparameter reicht aus, um einen Regler zu konstruieren.

9) Fuzzy- und neuronale Netzsteuerung. Es ist ein Sprachcontroller, der die Denkeigenschaften von Menschen bei Kontrollaktivitäten widerspiegeln kann. Eines seiner Hauptmerkmale ist, dass der Entwurf des Steuerungssystems nicht das mathematische Modell des gesteuerten Objekts im allgemeinen Sinne benötigt, sondern das Erfahrungswissen und die Betriebsdaten von Bedienern oder Experten.