Residual vibration control of manipulators with trapezoidal velocity profile actuations

Abstract

Günümüzde, esnek sistemler rijit sistemlere göre endüstride daha çok tercih edilmektedir. Esnek ve hafif mekanik sistemler, rijit ve ağır olanlara göre daha avantajlıdır. Esnek mekanik sistemlerin en geçerli örneği robot manipülatörlerdir. Esnek manipülatörler düşük güçte aktüatörlere sahiptir ve daha az enerji harcarlar. Bununla birlikte, esneklikten dolayı artık titreşimler meydana gelir. Farklı control stratejileri ile bu titreşimlerin yok edilmesi yada azaltılması, araştırmacılar için ciddi bir problem olmaktadır. Bu tez, esnek sistemlerin farklı modellenmesi ve kontrol yönleri ile ilgilenir. Mekanik sistemler ANSYS gibi ticari programlar ile, sonlu elemanlar teorisi ile ya da topaklanmış kütle-yay-sönüm elemanı sistemleri ile modellenebilir. Sistemlerin matematik modellerini elde etmek, farklı girdi profilleri altında dinamik cevaplarını gözlemlemek için oldukça önemlidir. Bu çalışmada, farklı mekanik sistemlerin artık titreşimlerini azaltmak için Runge-Kutta, Newmark ve ANSYS gibi farklı yöntemlerle titreşim analizi gerçekleştirilmiştir. Hareket sonrası oluşan titreşimler artık titreşimler olarak adlandırılmaktadır. Artık titreşimler, esnek sistemlerde uç nokta konumlandırılmasında oldukça etkilidir. Mekanik sistemlerin artık titreşimlerini kontrol etmek için açık kontrol ile farklı hız profileri uygulanmış ve önerilen kontrol stratejilerinin hassasiyetini doğrulamak için simülasyon ve deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır.

Nowadays, flexible systems are more desirable than the rigid systems in industrial. Flexible and light mechanical systems are more advantageous than rigid and heavy ones. The most current examples of flexible mechanical systems are robot manipulators. Flexible manipulators have smaller driving actuators and consume lower energy. However, residual vibrations occur due to the flexibility. Elimination or suppression of these vibrations by using different control strategies is a challenging problem for researchers.This thesis deals with different aspects of modeling and control of flexible systems. Mechanical systems can be modeled by commercial programs such as ANSYS, by using finite element method theory or by using lumped mass-spring-damper systems. Obtaining mathematical model of the systems are important in order to observe the dynamic responses of the systems under different input profiles. In this study, different methods have been used to perform vibration analysis such as Runge-Kutta, Newmark, and ANSYS to reduce the residual vibrations of different systems. Vibrations caused after finishing the motion are called as residual vibrations. Residual vibrations significantly affect positioning achievement of the end point in flexible systems. To control the residual vibrations of the mechanical system, different velocity profiles are applied with open loop control and both experimental and simulation results are compared to validate the accuracy of the proposed control strategies.