压电智能柔性臂系统非线性耦合振动的分尺度协调控制方法研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51505238
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    21.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0503.机械动力学
  • 结题年份:
    2018
  • 批准年份:
    2015
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2016-01-01 至2018-12-31

项目摘要

Flexible manipulator has been widely used in many applications offering significant advantages, such as low energy consumption and great load-to-mass ratio and so on. However, elastic vibration with large amplitude and long lasting period is unavoidable during operation, due to the complex coupling characteristics of the flexible manipulator system. And it leads to a deterioration of system positioning precision and operation efficiency.Through integrated analysis on the coupling relationships among the motor friction and torque characteristics, the joint flexibility, the vibration behaviors of the manipulator and the work principles of the piezoelectric actuators, the non-linear coupling vibration mechanism of the system is elaborated. And the method on characteristic model reduction and perturbation decoupling is proposed. Then, the multi-scale coordinate control strategy, which realizes coordination of the joint motor and PZT actuators control in separate time scale, is explored. The essence of this strategy is as follows: In the slow time scale, position control of the system, vibration suppression of the flexible joint and gross vibration control of the flexible manipulator are all realized through the joint motor control. While in the fast time scale, fast vibration of the manipulator is suppressed by the piezoelectric actuators. Meanwhile, the residual vibration of the link is also controlled by the actuators. Finally, the real-time coordinate control between the rigid motion and elastic vibration, the joint motor and piezoelectric actuators is achieved through the real-time workshop(RTW) control unit. The key technical issues on the multi-scale coordinate control of the smart flexible manipulator system can be solved, and the technical innovations of the flexible robot system are promoted by this research. Consequently, this research can provide theoretic and technical support for the application of the smart flexible structures.
具有能耗低及载荷/自重比高等优点的柔性臂应用日益广泛,但系统复杂耦合特性导致柔性臂易产生长时间、大幅值的振动,严重降低了系统定位精度和效率。项目通过综合分析压电智能柔性臂系统中电机驱动特性、关节柔性、臂杆柔性及致动器致动特性之间的耦合关系,揭示系统的非线性耦合振动规律;研究系统的特征模型降阶及摄动解耦技术;探究统筹关节电机和致动器在不同尺度内配合工作的分尺度协调控制方法及实现技术:在慢变尺度内,通过电机控制实现系统位置控制、关节振动抑制及臂杆振动粗略抑制,在快变尺度内利用致动器对臂杆快变振动进行控制,并对电机停止后的残余振动进行快速抑制,最终通过Real Time Workshop 实时控制平台实现系统刚性运动与弹性振动、关节电机与压电致动器的实时协调控制。通过开展项目研究解决压电柔性臂系统非线性耦合振动的分尺度协调控制关键技术,推动柔性机器人技术发展,为智能柔性构件应用提供技术理论支持。

结项摘要

柔性机械臂广泛应用于航空航天、工程机械及医学器械等领域。但其结构特性导致柔性机械臂系统在执行任务中极易产生振动,持续振动会造成疲劳破坏,显著影响了系统的定位精度和操作效率。而传统的控制方法重点关注柔性结构本身的振动特性及控制问题,而对柔性机械臂由于运动带来的非线性耦合振动问题缺乏有效控制。本项目引入压电材料在柔性结构多模态振动抑制中的有效作用,以伺服电机和谐波减速器组成伺服驱动关节,搭建了典型的单连杆压电柔性机械臂系统;对压电柔性臂系统进行了解析建模,确立了系统刚柔耦合、机电耦合特性,掌握了系统的非线性耦合动力学行为;并采用平均自回归滑动模型对压电柔性臂系统进行了实验建模及辨识研究,实验结果表明实验辨识模型与实际系统输出吻合度达90%以上;基于平衡降阶法利用Hankel奇异值从能控/能观性的角度对得到的系统实验模型进行了有效降阶,平衡降阶得到的低阶模型精度在85%以上;然后结合极点配置法与线性二次最优控制法提出了一种用于压电柔性臂系统多模态振动主动抑制的离散型最优极点移动法,有效抑制了外界激励下柔性臂的前两阶振动,其振动衰减时间由24s缩短为5s;最后提出了一种复合抑振轨迹规划与反馈控制的协调控制策略:该策略首先利用基于伺服电机的轨迹规划方法抑制压电柔性臂的主要弹性振动;其次利用压电致动器的最优极点移动法抑制柔性臂在运动过程中的高频振动以及运动结束后的残余振动。二者协调配合工作,实现了压电柔性臂系统运动与振动的协调控制。实验中压电柔性臂末端振动的衰减时间由五次多项式轨迹下的9s缩短为2.3s。项目研究实现了压电柔性臂系统振动的高精度快速有效抑制,提高了压电柔性臂系统末端的定位精度和指向精度,有效改善了压电柔性臂系统的操作效率。研究解决了柔性结构在实际应用过程中的振动抑制难题,为其在相关领域的应用和推广提供一定的理论基础和借鉴意义。

项目成果

期刊论文数量(10)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(4)
压电柔性机械臂的实验辨识及最优极点配置抑振控制
  • DOI:
    10.13465/j.cnki.jvs.2017.16.003
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    振动与冲击
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    娄军强;廖江江;李国平;杨依领;魏燕定
  • 通讯作者:
    魏燕定
Auto-regressive moving average with exogenous excitation model based experimental identification and optimal discrete multi-poles shifting control of a flexible piezoelectric manipulator
基于外源激励模型的自回归移动平均柔性压电机械手的实验辨识与最优离散多极移控制
  • DOI:
    10.1177/1077546318790866
  • 发表时间:
    2018-12-01
  • 期刊:
    JOURNAL OF VIBRATION AND CONTROL
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    Chen, Tehuan;Lou, Junqiang;Wei, Yanding
  • 通讯作者:
    Wei, Yanding
压电柔性臂的ARMAX模型辨识降阶及最优极点移动控制
  • DOI:
    10.16385/j.cnki.issn.1004-4523.2018.01.016
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    振动工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    娄军强;周优鹏;廖江江;李国平;魏燕定
  • 通讯作者:
    魏燕定
宏压电纤维致动的水下推进器性能及推进机理
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    振动、测试与诊断
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    林煌旭;娄军强;杨依领;陈特欢;贾振
  • 通讯作者:
    贾振
Dynamic modeling and adaptive vibration suppression of a high-speed macro-micro manipulator
高速宏微机械臂动态建模与自适应振动抑制
  • DOI:
    10.1016/j.jsv.2018.02.034
  • 发表时间:
    2018-05
  • 期刊:
    Journal of Sound and Vibration
  • 影响因子:
    4.7
  • 作者:
    Yang Yi-ling;Wei Yan-ding;Lou Jun-qiang;Chen Te-huan;Fu Lei;Fang Sheng
  • 通讯作者:
    Fang Sheng

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其他文献

智能柔性机械臂的建模和振动主动控制研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    机器人
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    娄军强;魏燕定;杨依领;谢锋然;赵晓伟
  • 通讯作者:
    赵晓伟
基于拓扑优化方法的两自由度并联柔性结构微动平台设计
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    振动与冲击
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    由永升;娄军强;淳华;郑邵雍
  • 通讯作者:
    郑邵雍
局部粘贴压电宏纤维致动器的水下弹性结构机-电-液耦合振动特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    振动工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    顾霆;娄军强;杨依领;陈特欢;陈海荣;魏燕定
  • 通讯作者:
    魏燕定
具有高位移增幅特性的柔顺并联式x-y-θ微动平台
  • DOI:
    10.13973/j.cnki.robot.190044
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    机器人
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    吴高华;杨依领;李国平;娄军强;魏燕定
  • 通讯作者:
    魏燕定
旋转柔性机械臂系统的实验模型辨识及伺服速度抑振控制
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    振动与冲击
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    贾振;娄军强;杨依领;陈特欢;魏燕定
  • 通讯作者:
    魏燕定

其他文献

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娄军强的其他基金

分布式压电柔性结构的多模态仿生波动及三维流动响应机制研究
  • 批准号:
    52375103
  • 批准年份:
    2023
  • 资助金额:
    50 万元
  • 项目类别:
    面上项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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