末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析

摘要/Abstract

摘要：

采用控制系统稳定性分析方法研究了柔性机械臂的末端质量和驱动关节转动惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响。首先推导了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型，建立了以驱动力矩为输入、以末端位置弹性振动为输出的柔性机械臂系统的传递函数。然后，用劳斯判据建立了末端位置弹性运动稳定性判据。用建立的稳定性判别式计算并对比了不同末端质量和关节转动惯量下柔性机械臂弹性运动的稳定性，定量验证了这两个参数对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响程度。

关键词: 柔性机械臂, 末端附加质量, 驱动关节转动惯量, 弹性运动稳定性

Abstract:

The influences of end position mass and joint rotary inertia of a flexible manipulator on the elastic motion stability of the flexible manipulator was studied herein using the analysis method of control system. Dynamics mode of the flexible manipulator arm having end position addition mass was deduced in the first place, and transfer function was obtained using drive moment as input and the elastic vibration of end position as output. Then the stability criterion of the elastic motion of end position was deduced. The elastic motion stability of flexible manipulator under different end position masses and joint rotary inertia was evaluated and compared, the effect extents of two parameters on the elastic motion stability of flexible manipulator arm were verified quantitatively.

Key words: flexible manipulator arm, end position addition mass, drive joint rotary inertia, elastic motion stability

中图分类号:

刘广瑞, 吴晓铃, 陈园, 虞正平. 末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析[J]. 中国机械工程, 2014, 25(4): 480-485.

Liu Guangrui, Wu Xiaoling, Chen Yuan, Yu Zhengping. Analysis of Influences of End Position Mass and Joint Rotary Inertia on Motion Stability of a Flexible Manipulator Arm[J]. China Mechanical Engineering, 2014, 25(4): 480-485.

参考文献

[1]屈维德. 机械振动手册[M]. 北京：机械工业出版社，1992.
[2]欧进萍.结构振动控制——主动、半主动和智能控制[M]. 北京：科学出版社，2003.
[3]胡少伟，苗同臣. 结构振动理论及其应用[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2005.
[4]刘广瑞. 柔性机械臂振动主动控制理论分析、仿真与实验的研究[D]. 天津：天津大学，1998.
[5]解福泉. 关于主动式汽车空气悬架的控制技术研究[J]. 交通标准化，2006 (8)：138-141.
Xie Fuquan. Study on Control Technology of Vehicle Active Air Suspension[J]. Communications Standardization Issue，2006(8)：138-141.
[6]章青. 数控机床定位误差建模参数辩识及补偿技术的研究[D]. 天津：天津大学，1995．
[7]崔玲丽，高立新，张建宇，等. 柔性机械臂结构控制一体化设计[J]. 北京工业大学学报，2007，33(8)：791-795.
Cui Lingli，Gao Lixin，Zhang Jianyu，et al. Integrated Structure and Control Design for Flexible Manipulator System[J]. Journal of Beijing University of Technology，2007，33(8)：791-795.
[8]金在权，任正权，郭越. 端部带集中质量弹性机械臂Rayleigh梁建模[J]. 延边大学学报(自然科学版)，2003，29(4)：242-245.
Jin Zaiquan，Ren Zhenquan，Guo Yue. Carrying a Flexibility for Taking the Quantity of Concentration Machine Arm Rayleigh Beam Sets Up the Mold[J]. Journal of Yanbian University (Natural Science)，2003，29(4)：242-245.
[9]孙占庚，金国光，常志，等. 基于Kane法的柔性机械臂系统动力学建模及其模态截取研究[J]. 天津工业大学学报，2009，28(4)：61-63.
Sun Zhangen，Jin Guoguang，Chang Zhi，et al. Research of Dynamic Modeling of Flexible Manipulator System Based on Kane’s Method and Its Mode Interception[J]. Journal of Tianjin Polytechnic University，2009，28(4)：61-63.
[10]崔玲丽，张建宇，高立新，等. 柔性机械臂系统动力学建模的研究[J]. 系统仿真学报，2007，19(6)：1205-1208.
Cui Lingli，Zhang Jianyu，Gao Lixin，et al. Research on Dynamic Modeling of Flexible Manipulator System[J]. Journal of System Simulation，2007，19(6)：1205-1208.
[11]戎保，芮筱亭，杨富锋，等. 受控柔性机械臂动力学建模仿真[J]. 振动工程学报，2009，22(2)：168-174.
Rong Bao，Rui Xiaoting，Yang Fufeng，et al. Dynamics Modeling and Simulation for Controlled Flexible Manipulator[J]. Journal of Vibration Engineering，2009，22(2)：168-174.
[12]李冬宁，赵雁，沈铖武，等. 一种双连杆柔性臂动力学模型的研究[J]. 测控技术，2009, 28(12)：40-43.
Li Dongning，Zhao Yan，Shen Chengwu，et al. Research on Dynamic Modeling for Flexible Link Manipulators[J]. Measurement and Control Technology，2009，28(12)：40-43.
[13]帅鑫，李艳君，吴铁军. 一种柔性机械臂末端轨迹跟踪的预测控制算法[J]. 浙江大学学报(工学版)，2010，44(2)：259-264.
Shuai Xin，Li Yanjun，Wu Tiejun. Real Time Predictive Control Algorithm for Endpoint Trajectory Tracking of Flexible Manipulator[J]. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)，2010，44(2)：259-264.
[14]曹小涛，李元春. 受时变约束柔性臂鲁棒RBF神经网络力/位置控制[J]. 控制与决策，2007，22(9)：977-982.
Cao Xiaotao，Li Yuanchun. Robust RBF Neural Network Force/Position Control of Time Varying Constrained Flexible Manipulator[J]. Control and Decision，2007，22(9)：977-982.
[15]余跃庆，周刚，方道星. 基于模糊PID融合的柔性机械臂振动压电主动控制研究[J]. 中国机械工程，2008，19(5)：1837-1841.
Yu Yueqing，Zhou Gang，Fang Daoxing. Active Vibration Control for Flexible Piezoelectric Manipulator Based on Fuzzy-PID Fusion Control[J]. China Mechanical Engineering，2008，19(5)：1837-1841.
[16]楼晓春，陈华凌. 柔性机械臂的迭代学习控制研究[J]. 现代制造工程，2010(6)：136-139.
Lou Xiaochun，Chen Hualing. Research on Iterative Learning Control for Flexible Manipulator[J]. Modern Fabrication Engineering，2010(6)：136-139.
[17]滕悠优. 柔性机械臂的主动控制与实验研究[D]. 上海：上海交通大学，2007.
[18]Korayem M H，Heidari A，Nikoobin A. Maximum Allowable Dynamic Load of Flexible Mobile Manipulators Using Finite Element Approach[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2008，36(9/10)：606-617.
[19]Heidari A，Nikoobin A. Maximum Allowable Dynamic Load of Flexible Manipulators with Imposing Residual Vibration Constraint[C]//Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Sanya， China，2007：1457-1462.
[20]Korayem M H，Firouzy S，Heidari A. Dynamic Load Carrying Capacity of Mobile-base Flexible-link Manipulators：Feedback Linearization Control Approach[C]//Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Robotics and Biomimetics. Sanya，China，2007：2172-2177.