高速移动机器人—支撑平台耦合系统动力学建模与振动控制

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在某重大试验装置中,采用高速移动机器人系统以满足特殊实验和特种作业的要求。该系统具有结构尺寸大、负载重、速度快、精度高的特点。然而,高速移动机器人作业时容易诱发其支撑平台的振动,严重影响机器人操作精度和操作稳定性。针对此问题,本文以高速移动机器人-支撑平台耦合系统为研究对象,进行耦合系统动力学建模及振动控制策略研究,主要工作内容如下:(1)建立了高速移动机器人-支撑平台耦合系统动力学模型,为后文的振动特性分析和控制策略研究奠定基础。将移动机器人简化为集中质量、支撑平台简化为矩形平板,基于基尔霍夫薄板理论和模态叠加法推导了系统控制微分方程,以明确系统内部的相互作用关系。对于对边简支对边自由边界条件的矩形平板支撑平台,基于Voigt经典解讨论了模态振型和固有频率的解析解。仿真结果对比验证了模型的正确性。(2)研究了高速移动机器人运动特征对支撑平台振动响应的影响。为将结果扩展到一般性研究,参数化计算机器人初速度、加速度、质量、数量、间隔距离以及运动轨迹等运动特征对支撑平台振动响应的影响。仿真结果表明:单个移动机器人初速度较小时,加速度越大支撑平台的振动幅度越大;连续移动机器人的间隔距离会产生明显的共振和消振效应;斜线运动轨迹倾角的增加,支撑平台的振动幅度也增加;圆形运动轨迹直径和机器人角速度是影响支撑平台振动响应的主要因素。(3)开展了基于粒子群优化算法的高速移动机器人-支撑平台耦合系统振动半主动控制方法研究。针对固定阻尼器缺乏阻尼可控性和鲁棒性的问题,提出一种受控阻尼器组方案,用于支撑平台在移动机器人作用下的振动抑制。由于系统的强耦合性,常规梯度优化算法方案无效,因此基于随机并行的粒子群优化算法,对阻尼器的控制函数进行优化设计。仿真结果表明,相比固定阻尼器,受控阻尼器抑制振动的效果提高了20%。(4)进行了高速移动机器人-支撑平台耦合系统振动自适应滑模主动控制策略研究。引入自适应律估计系统的不确定边界和忽略系统高阶模态等误差项,设计了支撑平台振动自适应滑模控制器,基于分布参数动力学模型分析了所设计控制器的稳定性;针对系统模态坐标无法直接测量的问题,基于模态叠加法给出了模态坐标重构策略。理论分析和数值仿真结果验证了自适应滑模控制器对高速移动机器人-支撑平台耦合系统振动抑制的有效性。
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