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Manipulador flexível 2021-11-22
Fundo de pesquisa

Nos últimos anos, com o desenvolvimento da tecnologia de robôs, a aplicação de estruturas de robôs com alta velocidade, alta precisão e alta relação carga / peso tem atraído muita atenção nos campos da indústria e aeroespacial. Devido ao aumento do efeito de flexibilidade das articulações e elos no processo de movimentação, a estrutura é deformada, o que reduz a precisão na execução da tarefa. Portanto, a flexibilidade estrutural do robô manipulador deve ser considerada, e a dinâmica do sistema também deve ser considerada para realizar o controle de alta precisão e eficaz do manipulador flexível. O manipulador flexível é um sistema dinâmico muito complexo. Sua equação dinâmica tem as características de não linearidade, forte acoplamento e variação real. O estabelecimento de seu modelo é muito importante para estudar a dinâmica do braço flexível. O manipulador flexível não é apenas um sistema não linear com acoplamento flexível rígido, mas também um sistema não linear com acoplamento eletromecânico. O objetivo da modelagem dinâmica é fornecer base para a descrição do sistema de controle e projeto do controlador. A descrição do sistema de controle geral (incluindo a descrição do espaço de estado no domínio do tempo e a descrição da função de transferência no domínio da frequência) está intimamente relacionada ao posicionamento do sensor / atuador, transferência de informações de atuador para sensor e as características dinâmicas do manipulador.

Teoria de modelagem

As equações dinâmicas do manipulador flexível são estabelecidas principalmente pelo uso das duas equações mais representativas, a equação de Lagrange e a equação de Newton Euler. Além disso, o princípio variacional, o princípio do deslocamento virtual e a equação de Kane são comumente usados. A descrição da deformação do corpo flexível é a base da modelagem e controle do sistema de manipulador flexível. Portanto, uma determinada forma é selecionada para descrever a deformação do corpo flexível, e a descrição da deformação está intimamente relacionada à solução das equações dinâmicas do sistema.

A deformação do corpo flexível pode ser descrita da seguinte forma:

1) Método dos elementos finitos;

2) Método do segmento finito;

3) Método de síntese modal;

4) Método de massa concentrada.

equação cinética

Quer sejam modelos dinâmicos contínuos ou discretos, os seus métodos de modelação baseiam-se principalmente em dois métodos básicos: o método da mecânica vectorial e o método da mecânica analítica. A fórmula de Newton Euler, a equação de Lagrange, o princípio variacional, o princípio do deslocamento virtual e a equação de Kane são amplamente usados ​​e estão maduros.

estratégia de controle

O manipulador flexível é geralmente controlado das seguintes maneiras:

1) Tratamento rígido. A influência da deformação elástica da estrutura no movimento do corpo rígido é completamente ignorada. Por exemplo, para evitar a deformação elástica excessiva que danifica a estabilidade e a precisão do posicionamento final do manipulador flexível, a velocidade angular máxima da espaçonave de controle remoto da NASA é 0,5deg / s.

2) Método de compensação antecipada. A vibração mecânica causada pela deformação flexível do manipulador é considerada como a interferência determinística ao movimento rígido, e o método de compensação feedforward é usado para neutralizar essa interferência. Bernd gebler, da Alemanha, estudou o controle feedforward de robôs industriais com haste elástica e junta elástica. Zhang Tiemin estudou o método de eliminação do pólo dominante e da instabilidade do sistema adicionando zero, e projetou um controlador feedforward com retardo de tempo. Comparado com o controlador PID, ele pode eliminar a vibração residual do sistema de forma mais óbvia. Seering Warren P. e outros estudiosos conduziram pesquisas aprofundadas sobre a tecnologia de compensação feedforward.

3) Controle de feedback de aceleração. Khorrami farshad e Jain Sandeep estudaram o controle da trajetória final do manipulador flexível usando feedback de aceleração final.

4) Controle de amortecimento passivo. A fim de reduzir a influência da deformação elástica relativa do corpo flexível, vários materiais de consumo ou armazenamento de energia são selecionados para projetar a estrutura do braço para controlar a vibração. Ou o uso de amortecedor de choque, material de amortecimento, placa de metal de amortecimento composto, liga de amortecimento ou grande material de amortecimento viscoelástico para formar estrutura de amortecimento adicional na viga flexível pertence ao controle de amortecimento passivo. Nos últimos anos, a aplicação de grandes materiais de amortecimento viscoelásticos no controle de vibração de manipuladores flexíveis tem atraído grande atenção. Rossi Mauro e Wang David estudaram o controle passivo de robôs flexíveis.

5) Método de controle de feedback de força. O controle de force feedback de vibração do manipulador flexível é, na verdade, um método de controle baseado na análise de dinâmica inversa, ou seja, de acordo com a análise de dinâmica inversa, o torque aplicado ao lado acionador é obtido através do movimento dado na extremidade do braço, e o torque de acionamento é compensado por feedback por meio de detecção de movimento ou força.

6) Controle adaptativo. O sistema é dividido em subsistema comum e subsistema flexível usando controle adaptativo combinado. O método de linearização de parâmetros é usado para projetar regras de controle adaptativas para identificar os parâmetros incertos do manipulador flexível. O controlador de rastreamento do manipulador flexível com não linearidade e incerteza de parâmetro é projetado. O projeto do controlador é baseado no projeto de controle robusto e adaptativo do método de Lyapunov. O sistema é dividido em dois subsistemas por meio da transição de estado. O controle adaptativo e o controle robusto são usados ​​para controlar os dois subsistemas, respectivamente.

7) Controle PID. Como o controlador mais popular e amplamente utilizado, o controlador PID é amplamente utilizado no controle de manipuladores rígidos devido à sua simplicidade, eficácia e praticidade. Freqüentemente, ele forma um controlador PID de autoajuste ajustando o ganho do controlador ou um sistema de controle composto combinado com outros métodos de controle para melhorar o desempenho do controlador PID.

8) Controle de estrutura variável. O sistema de controle de estrutura variável é um sistema de controle de feedback descontínuo, no qual o controle de modo deslizante é o controle de estrutura variável mais comum. Suas características: na superfície de comutação, possui um denominado modo deslizante. No modo deslizante, o sistema permanece insensível a alterações de parâmetros e distúrbios. Ao mesmo tempo, sua trajetória está localizada na superfície de comutação. O fenômeno de deslizamento não depende dos parâmetros do sistema e tem propriedades estáveis. O projeto do controlador de estrutura variável não requer um modelo dinâmico preciso do manipulador, e o limite dos parâmetros do modelo é suficiente para construir um controlador.

9) Controle de rede neural e difusa. É um controlador de linguagem, que pode refletir as características de pensamento das pessoas em atividades de controle. Uma de suas principais características é que o projeto do sistema de controle não necessita do modelo matemático do objeto controlado no sentido geral, mas do conhecimento da experiência e dos dados de operação de operadores ou especialistas.
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