Manipulateur flexible
2021-11-22
Fond de recherche
Ces dernières années, avec le développement de la technologie robotique, l'application de structures robotiques à haute vitesse, haute précision et rapport charge/poids élevé a attiré beaucoup d'attention dans les domaines de l'industrie et de l'aérospatiale. En raison de l'augmentation de l'effet de flexibilité des articulations et des liens dans le processus de mouvement, la structure est déformée, ce qui réduit la précision de l'exécution de la tâche. Par conséquent, la flexibilité structurelle du robot manipulateur doit être prise en compte, et la dynamique du système doit également être prise en compte pour réaliser le contrôle de haute précision et efficace du manipulateur flexible. Le manipulateur flexible est un système dynamique très complexe. Son équation dynamique présente les caractéristiques de non-linéarité, de couplage fort et de variation réelle. L'établissement de son modèle est très important pour étudier la dynamique du bras flexible. Le manipulateur flexible n'est pas seulement un système non linéaire avec accouplement flexible rigide, mais aussi un système non linéaire avec accouplement électromécanique. Le but de la modélisation dynamique est de fournir une base pour la description du système de contrôle et la conception du contrôleur. La description du système de contrôle général (y compris la description de l'espace d'état dans le domaine temporel et la description de la fonction de transfert dans le domaine fréquentiel) est étroitement liée au positionnement du capteur / actionneur, au transfert d'informations d'actionneur à capteur et aux caractéristiques dynamiques du manipulateur.
Théorie de la modélisation
Les équations dynamiques du manipulateur flexible sont principalement établies en utilisant les deux équations les plus représentatives, l'équation de Lagrange et l'équation de Newton Euler. De plus, le principe variationnel, le principe de déplacement virtuel et l'équation de Kane sont couramment utilisés. La description de la déformation flexible du corps est la base de la modélisation et du contrôle des systèmes de manipulateurs flexibles. Par conséquent, une certaine manière est choisie pour décrire la déformation du corps flexible, et la description de la déformation est étroitement liée à la solution des équations dynamiques du système.
La déformation du corps flexible peut être décrite comme suit :
1) Méthode des éléments finis ;
2) Méthode des segments finis ;
3) Méthode de synthèse modale ;
4) Méthode de masse concentrée.
équation cinétique
Qu'il s'agisse de modèles dynamiques continus ou discrets, leurs méthodes de modélisation reposent principalement sur deux méthodes de base : la méthode de la mécanique vectorielle et la méthode de la mécanique analytique. La formule de Newton Euler, l'équation de Lagrange, le principe variationnel, le principe de déplacement virtuel et l'équation de Kane sont largement utilisés et matures.
stratégie de contrôle
Le manipulateur flexible est généralement commandé des manières suivantes :
1) Traitement rigide. L'influence de la déformation élastique de la structure sur le mouvement du corps rigide est totalement ignorée. Par exemple, afin d'éviter qu'une déformation élastique excessive n'endommage la stabilité et la précision de positionnement final du manipulateur flexible, la vitesse angulaire maximale du vaisseau spatial télécommandé de la NASA est de 0,5 degré/s.
2) Méthode de compensation anticipée. La vibration mécanique provoquée par la déformation flexible du manipulateur est considérée comme l'interférence déterministe au mouvement rigide, et la méthode de compensation d'anticipation est utilisée pour contrer cette interférence. Bernd gebler d'Allemagne a étudié le contrôle anticipatif d'un robot industriel avec tige élastique et joint élastique. Zhang Tiemin a étudié la méthode d'élimination du pôle dominant et de l'instabilité du système en ajoutant zéro, et a conçu un contrôleur d'anticipation avec temporisation. Comparé au contrôleur PID, il peut éliminer plus clairement les vibrations résiduelles du système. Seering Warren P. et d'autres chercheurs ont mené des recherches approfondies sur la technologie de la rémunération anticipée.
3) Contrôle de rétroaction d'accélération. Khorrami farshad et Jain Sandeep ont étudié le contrôle de la trajectoire finale d'un manipulateur flexible à l'aide de la rétroaction d'accélération finale.
4) Contrôle d'amortissement passif. Afin de réduire l'influence de la déformation élastique relative du corps flexible, divers matériaux consommateurs d'énergie ou de stockage d'énergie sont sélectionnés pour concevoir la structure du bras afin de contrôler la vibration. Ou l'utilisation d'un amortisseur d'amortissement, d'un matériau d'amortissement, d'une plaque métallique d'amortissement composite, d'un alliage d'amortissement ou d'un grand matériau d'amortissement viscoélastique pour former une structure d'amortissement supplémentaire sur la poutre flexible appartient au contrôle d'amortissement passif. Ces dernières années, l'application de matériaux viscoélastiques à grand amortissement dans le contrôle des vibrations du manipulateur flexible a attiré une grande attention. Rossi Mauro et Wang David ont étudié le contrôle passif des robots flexibles.
5) Méthode de contrôle de retour de force. Le contrôle par retour de force des vibrations du manipulateur flexible est en fait une méthode de contrôle basée sur l'analyse de dynamique inverse, c'est-à-dire que selon l'analyse de dynamique inverse, le couple appliqué à l'extrémité motrice est obtenu par le mouvement donné à l'extrémité du bras, et le couple d'entraînement est compensé par rétroaction par détection de mouvement ou de force.
6) Contrôle adaptatif. Le système est divisé en sous-système conjoint et sous-système flexible en utilisant un contrôle adaptatif combiné. La méthode de linéarisation des paramètres est utilisée pour concevoir des règles de contrôle adaptatives pour identifier les paramètres incertains du manipulateur flexible. Le contrôleur de suivi du manipulateur flexible avec non-linéarité et incertitude des paramètres est conçu. La conception du contrôleur est basée sur la conception de contrôle robuste et adaptative de la méthode Lyapunov. Le système est divisé en deux sous-systèmes par transition d'état. Le contrôle adaptatif et le contrôle robuste sont utilisés pour contrôler respectivement les deux sous-systèmes.
7) Contrôle PID. En tant que contrôleur le plus populaire et le plus utilisé, le contrôleur PID est largement utilisé dans le contrôle du manipulateur rigide en raison de sa simplicité, de son efficacité et de sa praticabilité. Il forme souvent un contrôleur PID à réglage automatique en ajustant le gain du contrôleur ou un système de contrôle composite combiné à d'autres méthodes de contrôle pour améliorer les performances du contrôleur PID.
8) Contrôle de structure variable. Le système de contrôle de structure variable est un système de contrôle de rétroaction discontinu, dans lequel le contrôle de mode glissant est le contrôle de structure variable le plus courant. Ses caractéristiques : sur la surface de commutation, il possède un mode dit glissant. En mode glissant, le système reste insensible aux changements de paramètres et aux perturbations. En même temps, sa trajectoire se situe sur la surface de commutation. Le phénomène de glissement ne dépend pas des paramètres du système et a des propriétés stables. La conception du contrôleur à structure variable ne nécessite pas un modèle dynamique précis du manipulateur, et la limite des paramètres du modèle est suffisante pour construire un contrôleur.
9) Contrôle de réseau flou et neuronal. C'est un contrôleur de langage, qui peut refléter les caractéristiques de pensée des personnes dans les activités de contrôle. L'une de ses principales caractéristiques est que la conception du système de contrôle n'a pas besoin du modèle mathématique de l'objet contrôlé au sens général, mais des connaissances d'expérience et des données de fonctionnement d'opérateurs ou d'experts.