摘要
柔性连杆机械臂具有承载性好、轻质灵活且驱动能耗低等优点，已被广泛应用于工业生产、医疗手术、救灾探测、生活护理和航天航空等领域。随着上述领域对高性能与高适应性运动控制需求的提升，具有高柔顺性、复杂环境适应性强和高运行效率的柔性臂刚柔耦合系统（Rigid-Flexible Coupling System, RFCS）受到国内外研究机构的广泛关注。目前，该系统主要采用旋转电机如直流电机、永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）搭配减速器等机械传动机构实现旋转运动，或采用旋转电机搭配滚珠丝杠等机械传动机构实现直线运动，存在运动控制精度和驱动效率低等问题，增加了成本且存在机械损耗和扰动。随着电机技术的突破与发展，在直线运动场合，永磁直线电机（Permanent Magnet Linear Motor, PMLM）已逐步取代传统方式。相比之下，PMLM具有高推力密度和高效率等优点，且无需滚珠丝杠等中间传动装置，可以有效提升控制精度和响应时间。因此，研究基于PMLM的柔性臂RFCS具有广泛的应用前景。然而，由于柔性臂低刚度和低阻尼的结构特点，在PMLM上做直线运动时极易产生形变和较大振幅的弹性振动。在点到点运动时存在残余振动问题，从而影响末端的迅速精准定位和驱动效率，还会使柔性臂产生疲劳损伤，影响整个系统的操作精度和使用寿命；在持续往复运动时，末端会有过程振动从而不能实现目标运动曲线。因此，对基于PMLM柔性臂RFCS的驱动和振动抑制成为研究的关键点。基于以上研究背景和现状，本文主要研究工作如下： （1）对单连杆柔性臂（Single-Link Flexible Manipulator, SLFM）做适合 PMLM 驱动和振动抑制控制的小变形和大变形理论建模；针对PMLM驱动平动单连杆柔性臂（Translational Single-Link Flexible Manipulator，TSLFM）RFCS 的特点做运动方式的分类，并指出每种类型运动方式需要抑制的振动类型； （2）采用电阻式应变片全桥电路搭配仪表放大器对SLFM进行振动检测，根据惠斯通电桥和仪表放大器原理，将原始振动信号转换为DSP单片机可以接收的信号；对PMLM-TSLFM-RFCS做等效模型辨识；在此基础上，对该系统分别设计多种前馈和反馈控制方法开展点到点运动驱动及残余振动抑制控制研究，再对该系统做正弦持续往复运动过程振动的理论研究； （3）分别搭建基于Simulink的仿真模型和基于TMS320F28062的DSP为控制核心的实验平台，开展仿真与实验，验证了本文所提方法的有效性和可行性。 本文主要创新点有： （1）基于实验数据和Simulink仿真平台，运用群智能优化算法对非线性增强型达芬（Duffing）系统做模型辨识； （2）针对PMLM-TSLFM-RFCS驱动和振动抑制控制，基于PMLM矢量控制法的经典三闭环伺服控制系统，设计状态反馈控制法。
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