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Manipulador flexible 2021-11-22
Antecedentes de la investigación

En los últimos años, con el desarrollo de la tecnología robótica, la aplicación de estructuras robóticas con alta velocidad, alta precisión y alta relación carga / peso ha atraído mucha atención en los campos de la industria y aeroespacial. Debido al aumento del efecto de flexibilidad de las articulaciones y enlaces en el proceso de movimiento, la estructura se deforma, lo que reduce la precisión de la ejecución de la tarea. Por lo tanto, se debe considerar la flexibilidad estructural del manipulador de robot, y también se debe considerar la dinámica del sistema para realizar el control efectivo y de alta precisión del manipulador flexible. El manipulador flexible es un sistema dinámico muy complejo. Su ecuación dinámica tiene las características de no linealidad, fuerte acoplamiento y variación real. El establecimiento de su modelo es muy importante para estudiar la dinámica del brazo flexible. El manipulador flexible no es solo un sistema no lineal con acoplamiento rígido flexible, sino también un sistema no lineal con acoplamiento electromecánico. El propósito del modelado dinámico es proporcionar la base para la descripción del sistema de control y el diseño del controlador. La descripción del sistema de control general (incluida la descripción del espacio de estados en el dominio del tiempo y la descripción de la función de transferencia en el dominio de la frecuencia) está estrechamente relacionada con el posicionamiento del sensor / actuador, la transferencia de información de un actuador a otro y las características dinámicas del manipulador.

Teoría del modelado

Las ecuaciones dinámicas del manipulador flexible se establecen principalmente mediante el uso de las dos ecuaciones más representativas, la ecuación de Lagrange y la ecuación de Newton Euler. Además, el principio variacional, el principio de desplazamiento virtual y la ecuación de Kane se utilizan comúnmente. La descripción de la deformación corporal flexible es la base del modelado y control del sistema de manipulador flexible. Por lo tanto, se selecciona una cierta forma para describir la deformación del cuerpo flexible, y la descripción de la deformación está estrechamente relacionada con la solución de ecuaciones dinámicas del sistema.

La deformación del cuerpo flexible se puede describir de la siguiente manera:

1) Método de elementos finitos;

2) Método de segmento finito;

3) Método de síntesis modal;

4) Método de masa concentrada.

ecuación cinética

Ya sean modelos dinámicos continuos o discretos, sus métodos de modelado se basan principalmente en dos métodos básicos: el método de la mecánica vectorial y el método de la mecánica analítica. La fórmula de Newton Euler, la ecuación de Lagrange, el principio variacional, el principio de desplazamiento virtual y la ecuación de Kane son ampliamente utilizados y maduros.

estrategia de control

El manipulador flexible generalmente se controla de las siguientes maneras:

1) Tratamiento rígido. La influencia de la deformación elástica de la estructura sobre el movimiento del cuerpo rígido se ignora por completo. Por ejemplo, para evitar una deformación elástica excesiva que dañe la estabilidad y la precisión de posicionamiento final del manipulador flexible, la velocidad angular máxima de la nave espacial de control remoto de la NASA es de 0,5 grados / s.

2) Método de compensación anticipada. La vibración mecánica causada por la deformación flexible del manipulador se considera como la interferencia determinista al movimiento rígido, y el método de compensación anticipada se utiliza para contrarrestar esta interferencia. Bernd gebler de Alemania estudió el control anticipado de un robot industrial con varilla elástica y junta elástica. Zhang Tiemin estudió el método para eliminar el polo dominante y la inestabilidad del sistema agregando cero, y diseñó un controlador de avance con retardo de tiempo. En comparación con el controlador PID, puede eliminar la vibración residual del sistema de forma más obvia. Seering Warren P. y otros académicos han realizado una investigación en profundidad sobre la tecnología de compensación de retroalimentación.

3) Control de retroalimentación de aceleración. Khorrami farshad y Jain Sandeep estudiaron el control de la trayectoria final del manipulador flexible utilizando retroalimentación de aceleración final.

4) Control de amortiguación pasivo. Con el fin de reducir la influencia de la deformación elástica relativa del cuerpo flexible, se seleccionan diversos materiales que consumen o almacenan energía para diseñar la estructura del brazo para controlar la vibración. O el uso de amortiguador amortiguador, material de amortiguación, placa metálica de amortiguación compuesta, aleación de amortiguación o material de amortiguación viscoelástico grande para formar una estructura de amortiguación adicional en la viga flexible pertenece al control de amortiguación pasivo. En los últimos años, la aplicación de materiales viscoelásticos de gran amortiguación en el control de vibraciones de manipuladores flexibles ha atraído una gran atención. Rossi Mauro y Wang David estudiaron el control pasivo de robots flexibles.

5) Método de control de retroalimentación de fuerza. El control de retroalimentación de fuerza de la vibración del manipulador flexible es en realidad un método de control basado en el análisis de dinámica inversa, es decir, de acuerdo con el análisis de dinámica inversa, el par aplicado al extremo impulsor se obtiene mediante el movimiento dado en el extremo del brazo, y el par motor se compensa por retroalimentación mediante detección de movimiento o fuerza.

6) Control adaptativo. El sistema se divide en subsistema conjunto y subsistema flexible mediante el uso de control adaptativo combinado. El método de linealización de parámetros se utiliza para diseñar reglas de control adaptativo para identificar los parámetros inciertos del manipulador flexible. Se diseña el controlador de seguimiento de manipulador flexible con no linealidad e incertidumbre de parámetros. El diseño del controlador se basa en el diseño de control robusto y adaptativo del método de Lyapunov. El sistema se divide en dos subsistemas a través de la transición de estado. El control adaptativo y el control robusto se utilizan para controlar los dos subsistemas respectivamente.

7) Control PID. Como el controlador más popular y ampliamente utilizado, el controlador PID se usa ampliamente en el control de manipuladores rígidos debido a su simplicidad, efectividad y practicidad. A menudo forma un controlador PID de autoajuste ajustando la ganancia del controlador o un sistema de control compuesto combinado con otros métodos de control para mejorar el rendimiento del controlador PID.

8) Control de estructura variable. El sistema de control de estructura variable es un sistema de control de retroalimentación discontinua, en el que el control de modo deslizante es el control de estructura variable más común. Sus características: en la superficie de conmutación, tiene un llamado modo deslizante. En el modo deslizante, el sistema permanece insensible a cambios de parámetros y perturbaciones. Al mismo tiempo, su trayectoria se encuentra en la superficie de conmutación. El fenómeno de deslizamiento no depende de los parámetros del sistema y tiene propiedades estables. El diseño del controlador de estructura variable no requiere un modelo dinámico preciso del manipulador, y el límite de los parámetros del modelo es suficiente para construir un controlador.

9) Control de redes neurales y difusas. Es un controlador de lenguaje, que puede reflejar las características de pensamiento de las personas en actividades de control. Una de sus principales características es que el diseño del sistema de control no necesita el modelo matemático del objeto controlado en el sentido general, sino el conocimiento de la experiencia y los datos de operación de operadores o expertos.
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