Background di ricerca

Negli ultimi anni, con lo sviluppo della tecnologia robotica, l'applicazione di strutture robotiche ad alta velocità, alta precisione e alto rapporto carico/peso ha attirato molta attenzione nei settori dell'industria e dell'aerospaziale. A causa dell'aumento dell'effetto di flessibilità delle articolazioni e dei collegamenti nel processo di movimento, la struttura si deforma, il che riduce la precisione dell'esecuzione dell'attività. Pertanto, è necessario considerare la flessibilità strutturale del manipolatore robot e anche la dinamica del sistema per realizzare il controllo ad alta precisione ed efficace del manipolatore flessibile. Il manipolatore flessibile è un sistema dinamico molto complesso. La sua equazione dinamica ha le caratteristiche di non linearità, forte accoppiamento e variazione reale. L'istituzione del suo modello è molto importante per studiare la dinamica del braccio flessibile. Il manipolatore flessibile non è solo un sistema non lineare con accoppiamento flessibile rigido, ma anche un sistema non lineare con accoppiamento elettromeccanico. Lo scopo della modellazione dinamica è fornire le basi per la descrizione del sistema di controllo e la progettazione del controller. La descrizione del sistema di controllo generale (compresa la descrizione dello spazio degli stati nel dominio del tempo e la descrizione della funzione di trasferimento nel dominio della frequenza) è strettamente correlata al posizionamento del sensore/attuatore, al trasferimento delle informazioni dall'attuatore al sensore e alle caratteristiche dinamiche del manipolatore.

Teoria dei modelli

Le equazioni dinamiche del manipolatore flessibile sono stabilite principalmente utilizzando le due equazioni più rappresentative, l'equazione di Lagrange e l'equazione di Newton Eulero. Inoltre, sono comunemente usati il ​​principio variazionale, il principio dello spostamento virtuale e l'equazione di Kane. La descrizione della deformazione del corpo flessibile è la base della modellazione e del controllo del sistema di manipolatori flessibili. Pertanto, viene selezionato un certo modo per descrivere la deformazione del corpo flessibile e la descrizione della deformazione è strettamente correlata alla soluzione delle equazioni dinamiche del sistema.

La deformazione del corpo flessibile può essere descritta come segue:

1) Metodo degli elementi finiti;

2) Metodo dei segmenti finiti;

3) Metodo di sintesi modale;

4) Metodo massa concentrata.

equazione cinetica

Che si tratti di modelli dinamici continui o discreti, i loro metodi di modellazione si basano principalmente su due metodi di base: il metodo della meccanica vettoriale e il metodo della meccanica analitica. La formula di Newton Eulero, l'equazione di Lagrange, il principio variazionale, il principio dello spostamento virtuale e l'equazione di Kane sono ampiamente utilizzati e maturi.

strategia di controllo

Il manipolatore flessibile viene generalmente controllato nei seguenti modi:

1) Trattamento rigido. L'influenza della deformazione elastica della struttura sul moto del corpo rigido è completamente ignorata. Ad esempio, per evitare un'eccessiva deformazione elastica che danneggia la stabilità e la precisione di posizionamento finale del manipolatore flessibile, la velocità angolare massima del veicolo spaziale telecomandato della NASA è di 0,5 gradi/s.

2) Metodo di compensazione feedforward. La vibrazione meccanica causata dalla deformazione flessibile del manipolatore è considerata come l'interferenza deterministica al movimento rigido e il metodo di compensazione feedforward viene utilizzato per contrastare questa interferenza. Bernd Gebler della Germania ha studiato il controllo feedforward di robot industriali con asta elastica e giunto elastico. Zhang Tiemin ha studiato il metodo per eliminare il polo dominante e l'instabilità del sistema aggiungendo zero e ha progettato un controller feedforward con ritardo temporale. Rispetto al controller PID, può eliminare in modo più evidente le vibrazioni residue del sistema. Seering Warren P. e altri studiosi hanno condotto ricerche approfondite sulla tecnologia di compensazione feedforward.

3) Controllo del feedback di accelerazione. Khorrami farshad e Jain Sandeep hanno studiato il controllo della traiettoria finale del manipolatore flessibile utilizzando il feedback dell'accelerazione finale.

4) Controllo di smorzamento passivo. Al fine di ridurre l'influenza della deformazione elastica relativa del corpo flessibile, vengono selezionati vari materiali che consumano energia o che immagazzinano energia per progettare la struttura del braccio per controllare la vibrazione. Oppure l'uso di ammortizzatori di smorzamento, materiale di smorzamento, piastra metallica di smorzamento composito, lega di smorzamento o materiale di smorzamento viscoelastico di grandi dimensioni per formare una struttura di smorzamento aggiuntiva sulla trave flessibile appartiene al controllo di smorzamento passivo. Negli ultimi anni, l'applicazione di grandi materiali di smorzamento viscoelastico nel controllo delle vibrazioni del manipolatore flessibile ha attirato grande attenzione. Rossi Mauro e Wang David hanno studiato il controllo passivo dei robot flessibili.

5) Metodo di controllo del feedback di forza. Il controllo del feedback di forza della vibrazione del manipolatore flessibile è in realtà un metodo di controllo basato sull'analisi della dinamica inversa, ovvero, secondo l'analisi della dinamica inversa, la coppia applicata all'estremità di azionamento è ottenuta attraverso il dato movimento all'estremità del braccio e la coppia motrice viene compensata in retroazione attraverso il rilevamento del movimento o della forza.

6) Controllo adattativo. Il sistema è suddiviso in sottosistema congiunto e sottosistema flessibile utilizzando il controllo adattativo combinato. Il metodo di linearizzazione dei parametri viene utilizzato per progettare regole di controllo adattivo per identificare i parametri incerti del manipolatore flessibile. È stato progettato il controller di tracciamento del manipolatore flessibile con non linearità e incertezza dei parametri. Il design del controller si basa sul design di controllo robusto e adattivo del metodo Lyapunov. Il sistema è diviso in due sottosistemi attraverso la transizione di stato. Il controllo adattivo e il controllo robusto vengono utilizzati rispettivamente per controllare i due sottosistemi.

7) Controllo PID. Essendo il controller più popolare e ampiamente utilizzato, il controller PID è ampiamente utilizzato nel controllo del manipolatore rigido per la sua semplicità, efficacia e praticabilità. Spesso forma un controller PID autoregolante regolando il guadagno del controller o un sistema di controllo composito combinato con altri metodi di controllo per migliorare le prestazioni del controller PID.

8) Controllo della struttura variabile. Il sistema di controllo a struttura variabile è un sistema di controllo a feedback discontinuo, in cui il controllo in modalità scorrevole è il controllo a struttura variabile più comune. Le sue caratteristiche: sulla superficie di commutazione, ha una cosiddetta modalità scorrevole. Nella modalità scorrevole, il sistema rimane insensibile alle modifiche dei parametri e ai disturbi. Allo stesso tempo, la sua traiettoria si trova sulla superficie di commutazione. Il fenomeno dello scorrimento non dipende dai parametri del sistema e ha proprietà stabili. La progettazione del controller a struttura variabile non richiede un modello dinamico accurato del manipolatore e il limite dei parametri del modello è sufficiente per costruire un controller.

9) Controllo di reti fuzzy e neurali. È un controllore del linguaggio, che può riflettere le caratteristiche di pensiero delle persone nelle attività di controllo. Una delle sue caratteristiche principali è che la progettazione del sistema di controllo non necessita del modello matematico dell'oggetto controllato in senso generale, ma della conoscenza dell'esperienza e dei dati di funzionamento di operatori o esperti.