直角坐标型机器人因其运动方式简单,易于进行计算机编程控制等,而广泛应用于拾取封装、喷涂、焊接等工业领域。该类型机器人的结构形式一般为底部大范围运动基座结合末端执行操作臂方式。机械操作臂直接作用于工业对象,因此其动态品质和运动特性对整机的操作精度具有重要影响。传统的直角坐标型机器人操作臂大多采用刚性结构,整体结构较笨重并且存在不易控制的结构抖振,对整机工作效率及定位精度会产生较大影响。为了提高直角坐标型机器人的整机性能,需要通过改进系统结构达到轻型化的目的,结构的轻型化也是实现高速和集成的基础。柔性操作臂具有轻质、载重自重比高、能耗低等优点,非常适合工业机器人集成化、高速化的发展趋势。但是,柔性操作臂由于本身刚度低、挠度大的结构特性,在运动过程中极易产生弹性变形和残余振动,并且由于柔性操作臂本身结构阻尼较小,振动将持续较长时间,这与芯片封装等工业应用场合的精确化要求相驳。为此,深入研究柔性操作臂的动态特性及振动抑制策略,是实现柔性操作臂在工业机器人上有效利用的前提。现有的高精度高动态响应工业直角坐标型机器人均采用基于交流永磁同步电机的伺服系统驱动,永磁驱动移动柔性操作臂系统是一个典型的机电耦合动力系统,由于柔性操作臂模态频率低,在高速轻型条件下电机驱动端的机电耦合效应会对其动态特性及稳定性产生显著影响。此外,直角坐标型机器人在具体作业过程中其负载并非一成不变的,这会对柔性操作臂弹性振动控制器的设计提出更高要求。因此,在对柔性操作臂进行动态特性分析及振动控制策略研究时,应充分考虑系统驱动端机电耦合效应及末端负载的影响。本文的研究工作主要包括:(1)建立了永磁伺服系统驱动下的移动柔性操作臂系统机电耦合动力学模型,并完成了实验对象的搭建。基于机电分析动力学,对移动柔性操作臂系统进行了全局机电耦合分析,明确了系统内部的主要耦合形式。对移动柔性操作臂系统进行了子系统划分及局部耦合分析,探讨了各子系统的运动机理并进行了子系统的局部解耦;明确了各子系统之间的耦联因素并确定了耦联中间量,最终建立移动柔性操作臂系统全局机电耦合动力学模型。搭建了移动柔性操作臂系统实验对象,并结合实验对象物理参数与建立的系统全局耦合动力学模型,构建移动柔性操作臂系统虚拟仿真平台,并据此对电机驱动端输出特性、子系统动态特性及系统全局机电耦合动态特性进行了数值算例分析。(2)结合电机驱动端机电耦合效应及末端变负载工况,研究了移动柔性操作臂系统的参激振动特性及稳定性。考虑柔性操作臂横向振动对系统定位精度起主导作用,且相较于横向运动,定位基座另外两个方向的平动运动对柔性操作臂横向振动基本无影响,因此主要进行了定位基座做横向运动下系统动态特性的分析。考虑末端负载质量的影响,推导了柔性操作臂的精确模态频率方程以及模态振型函数,揭示了末端负载质量对柔性操作臂振型函数的影响规律;基于直接多尺度法,分析了驱动端激励及末端负载变化对柔性操作臂横向参激振动特性的影响机理;引入直角坐标变换,探明了柔性操作臂横向振动稳定性受系统变负载工况的影响规律;通过有限元分析及数值仿真计算对上述理论分析结果进行了验证。(3)开展了基于状态估计与奇异摄动理论的移动柔性操作臂系统弹性振动软测量研究,避免振动速度及位移传感器引入的附加质量对柔性操作臂本身稳定性的影响。引入奇异摄动因子,实现了移动柔性操作臂系统动力学模型的降维分解;基于系统能控性及能观性理论,运用秩判别准则分析了系统双时标子系统状态变量的可观测性及可控制性;构建了移动柔性操作臂系统双时标观测器模型,并基于线性二次微分对策理论实现系统双时标观测器观测增益的优化;通过仿真分析与实验测试,验证了基于双时标观测器的移动柔性操作臂系统弹性振动软测量方案的有效性。(4)进行了永磁驱动移动柔性操作臂系统弹性振动主从一体化控制策略的研究。针对柔性操作臂末端变负载工况,结合系统弹性振动双时标观测器,设计了柔性操作臂横向弹性振动主动控制器—状态反馈积分控制器;针对永磁电机驱动端机电耦合效应,基于最优理论与输入整形法,设计了柔性操作臂横向弹性振动从动控制器—两模态振动级联整形器;结合系统横向弹性振动主动控制器与从动控制器,给出了系统横向弹性振动主从一体化控制方案,实现了状态反馈积分控制器与两模态振动级联整形器在柔性操作臂弹性振动控制上的优势互补、劣势互堵;通过仿真分析与实验测试,验证了移动柔性操作臂系统弹性振动主从一体化控制器的有效性。