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医用柔性机械臂作为重离子治癌装置的重要一环,其主要作用是完成患者支撑、摆位以及治疗等操作。本文以课题组自主设计的医用柔性机械臂为研究对象,针对小臂臂杆柔性导致机械臂摆位过程中末端所产生的弹性振动问题,考虑末端负载并将其集中质量化,通过最优输入整形作为前馈控制,模糊PID作为反馈控制的主动抑振控制算法,建立了基于最优输入整形的模糊PID控制器,使其在摆位过程中达到运动平稳,定位准确的控制要求,并通过联合仿真和实践应用两方面验证所设计的主动抑振控制器的合理性和有效性。本文主要研究内容和结果如下:(1)针对医用柔性机械臂中小臂的结构特点,将其简化成Euler-Bernoulli梁,采用假设模态法对其变形进行描述,并应用拉格朗日方法进行动力学分析,推导出状态空间方程,为主动抑振控制器的设计以及联合仿真奠定基础。同时通过有限元模态分析与数值计算的固有频率进行比较,从而验证变形描述的正确性。(2)分析PID控制以及模糊控制的优缺点,将两种控制方法进行组合,同时考虑到系统响应慢以及残余振动的影响,结合最优控制理论提出了最优输入整形控制策略,并在MATLAB/Simulink中搭建相应的控制模块,进而设计出基于最优输入整形的模糊PID控制器。(3)通过ADAMS建立医用柔性机械臂小臂的三维模型,并与Simulink搭建的控制模型进行联合仿真。首先单独用Simulink进行数值仿真,分析三种控制器对角位移跟踪、末端振动速度以及振动位移的控制效果,并将其控制效果进行对比,从而验证最优输入整形的模糊PID控制器的有效性,最后通过联合仿真的结果与数值仿真结果进行对比,进一步验证组合控制的正确性。(4)搭建医用柔性臂的实验平台,将MATLAB/Simulink搭建的控制模块导入到倍福的TwinCAT3中,编写相应的运动控制程序,通过组态配置控制机械臂作旋转运动,在此过程中分别测试无控制下以及三种控制器的作用下机械臂末端的振动速度和振动位移,比较其抑振效果,从而在工程实践应用中验证所设计控制器的有效性。本文通过对医用柔性机械臂的主动抑振控制方法进行研究,设计出一种基于最优输入整形的模糊PID控制器,为实现机械臂精准摆位、快速放疗提供有效保障。同时,本文的研究对其它领域也具有重要的理论价值和工程应用价值。