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柔性机械臂动力学模型、轨迹规划与控制研究
柔性机械臂动力学模型、轨迹规划与控制研究
摘要：柔性机械臂在工业自动化领域中具有广泛应用的潜力。本论文主要研究了柔性机械臂的动力学模型、轨迹规划与控制方法。首先，对柔性机械臂的动力学模型进行了建模分析，采用拉格朗日方程推导出了柔性机械臂的动力学方程。然后，针对柔性机械臂的轨迹规划问题，提出了一种基于末端位姿的优化算法，通过对目标轨迹进行分段线性拟合，实现了柔性机械臂的轨迹规划。最后，设计了柔性机械臂的控制策略，采用模型预测控制方法，将动态模型的误差作为控制输入进行校正，实现了柔性机械臂的精确控制。实验结果表明，本文提出的方法能够有效地提高柔性机械臂的动作精度和运动平滑性。
关键词：柔性机械臂；动力学模型；轨迹规划；控制策略
1.引言
柔性机械臂是一种具有柔性连接杆件的机械臂系统，相比传统刚性机械臂，柔性机械臂具有更好的适应性和可扩展性。随着工业自动化的发展，柔性机械臂在精密装配、危险环境作业等领域得到了广泛应用。然而，由于柔性连接杆件的存在，柔性机械臂的动力学特性较为复杂，轨迹规划和控制较为困难。因此，研究柔性机械臂的动力学模型、轨迹规划和控制方法具有重要意义。
2.柔性机械臂的动力学模型
柔性机械臂的动力学模型是研究柔性机械臂动作特性的重要工具。本文采用拉格朗日方程推导了柔性机械臂的动力学方程。首先，建立了柔性机械臂的拉格朗日动力学方程，考虑了每个连杆的弯曲变形和扭转变形。然后，通过对拉格朗日动力学方程进行简化和线性化处理，得到了柔性机械臂的动力学方程。
3.柔性机械臂的轨迹规划
柔性机械臂的轨迹规划是指根据特定的任务要求，确定机械臂末端执行器的轨迹。本文提出了一种基于末端位姿的优化算法，通过对目标轨迹进行分段线性拟合，实现了柔性机械臂的轨迹规划。首先，对目标轨迹进行分段线性拟合，得到若干个离散的目标位姿点。然后，通过计算每个目标位姿点对应的关节角度，得到柔性机械臂的运动轨迹。最后，采用插值算法对机械臂的轨迹进行平滑处理，保证了机械臂的动作平滑性。
4.柔性机械臂的控制策略
柔性机械臂的控制策略是为了实现机械臂的精确控制。本文设计了一种基于模型预测控制方法的控制策略，将动态模型的误差作为控制输入进行校正。首先，通过对柔性机械臂的动力学模型进行线性化处理，得到线性化动态模型。然后，根据线性化动态模型设计了基于模型预测控制的控制策略。最后，通过实验验证了该控制策略的有效性。
5.实验结果与分析
本文设计了柔性机械臂的实验平台，对所提出的方法进行了实验验证。实验结果表明，所提出的轨迹规划算法能够实现柔性机械臂的精确运动控制，提高了机械臂的动作精度和运动平滑性。
6.总结与展望
本论文研究了柔性机械臂的动力学模型、轨迹规划和控制方法。通过对柔性机械臂的动力学模型进行建模和分析，得到了柔性机械臂的动力学方程。同时，提出了一种基于末端位姿的优化算法，实现了柔性机械臂的轨迹规划。最后，设计了柔性机械臂的控制策略，采用模型预测控制方法实现了柔性机械臂的精确控制。实验结果表明，本文提出的方法能够有效地提高柔性机械臂的动作精度和运动平滑性。未来可以进一步研究柔性机械臂的实时控制方法和智能化控制算法，提高柔性机械臂在工业自动化领域中的应用水平。
参考文献：
[1]Wang,Y.,Wang,F.,&Wang,L.(2018).Dynamicmodeling,motioncontrol,andvibrationsuppressionforflexiblemanipulators:acomprehensivereview.IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,23(3),1249-1261.
[2]Li,Z.,&Li,J.(2020).Trajectoryplanningandtrackingcontrolforflexiblerobotmanipulatorsbasedonhybridactuators.IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,25(2),940-950.
[3]Zhang,H.,Li,M.,&Yu,J.(2019).Adaptivetrajectorytrackingcontrolforflexible-jointrobotmanipulatorswithuncertaintiesanddisturbances.IEEE/ASMETransactionsonMechatronics,24(1),225-235.