● 摘要
本学位论文对柔性机器人的动力奇异问题与振动问题进行了较为深入的研究，在动力奇异的产生原因、影响因素以及规避方法等方面进行了探索，充分利用冗余自由度与局部自由度等机器人的结构特性探求振动控制的新方法与新手段，取得了有益的进展，主要包括以下内容：第一，对柔性机器人动力奇异问题的产生原因以及影响因素进行了深入研究。首先，基于柔性机器人的动力学方程，从数学上剖析了动力奇异现象的产生原因，在此基础上进一步研究了引起动力奇异的多种影响因素，揭示了激振力幅值、激振力方向、阻尼大小、共振区域内激振力频率与机器人固有频率的相对变化速度、机器人固有频率等因素与动力奇异之间的内在联系，为柔性机器人避动力奇异方法的研究奠定了理论基础。第二，对柔性机器人避动力奇异的方法进行了研究。针对柔性机器人产生动力奇异的原因，提出避动力奇异问题的关键在于使激振力频率避开机器人固有频率的共振区间。根据柔性机器人固有频率决定于机器人的结构参数与运动参数，提出了两种调节机器人固有频率的方法——基于结构设计方法与基于运动设计方法，有效地使激振力频率避开了机器人固有频率的共振区间，实现了避动力奇异的目的。第三，研究了柔性关节频率特性与关节刚性运动规律对柔性机器人动力奇异的影响。机器人在运动过程中，关节的振动变形不仅直接影响机械臂末端的运动轨迹，而且机械臂的结构参数及动力特性又是影响关节弹性振动变形的主要因素，因此在对机器人动力奇异现象进行研究时，需要同时考虑关节与柔性臂之间存在的运动学与动力学关系。经研究证明，当柔性关节的扭转振动频率与机械臂某阶模态频率相等，或柔性关节扭转振动频率等于关节刚性角速度变化频率的整数倍时，柔性关节的扭转振动幅值急剧增大，导致机械臂末端实际运动轨迹与理想运动轨迹之间的偏差急剧增大，从而出现动力奇异现象。该研究对机器人的结构设计具有重要的指导意义。第四，提出了一种柔性冗余度机器人的冗余关节优化控制方法。首先，通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素，得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。然后，对柔性冗余度机器人关节运动的冗余特征进行了研究。在此基础上，构造出以冗余关节角为状态变量的优化控制结构，并由此得出一种新的柔性冗余度机器人优化控制方法。该方法不仅可以使各关节的运动简单易控制，而且可以保证各关节的运动不越限。此外，还消除了机器人的终态自运动。第五，提出了一种新的基于结构设计的提高柔性机器人动态性能的控制方法。通过对机器人运动学和动力学问题的分析，在吸取其它基于结构设计的控制方法经验的基础上，提出了一种新的具有可控局部自由度的柔性机器人型式，在此基础上提出了利用可控局部自由度抑制振动的方法。该方法在不影响机器人末端执行操作任务的前提下，通过给机器人系统施加一定的主动控制力，从而达到提高机器人动态性能的目的。并以控制机器人的振动为目标，设计了优化控制策略，从而验证了所提控制方法的有效性。