<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Publishing DTD v2.3 20070202//EN" "journalpublishing.dtd">
<article article-type="research-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Bioeng. Biotechnol.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Bioengineering and Biotechnology</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Bioeng. Biotechnol.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-4185</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">766495</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fbioe.2021.766495</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Bioengineering and Biotechnology</subject>
<subj-group>
<subject>Original Research</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>Optimal Trajectory Planning of the Variable-Stiffness Flexible Manipulator Based on CADE Algorithm for Vibration Reduction Control</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Cheng et&#x20;al.</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">Vibration Reduction Control of Flexible Manipulator</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>Qiang</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Xu</surname>
<given-names>Wenxiang</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Zhifeng</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff2">
<sup>2</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Hao</surname>
<given-names>Xiaolong</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff1">
<sup>1</sup>
</xref>
</contrib>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>Yi</given-names>
</name>
<xref ref-type="aff" rid="aff3">
<sup>3</sup>
</xref>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1457832/overview"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff id="aff1">
<label>
<sup>1</sup>
</label>Institute of Advanced Manufacturing and Intelligent Technology, Beijing University of Technology, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff2">
<label>
<sup>2</sup>
</label>Beijing Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology, Beijing University of Technology, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<aff id="aff3">
<label>
<sup>3</sup>
</label>Department of Stomatology, General Hospital of the PLA, <addr-line>Beijing</addr-line>, <country>China</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1254880/overview">Tinggui Chen</ext-link>, Zhejiang Gongshang University, China</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/865332/overview">Gongfa Li</ext-link>, Wuhan University of Science and Technology, China</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1400185/overview">Zhihua Cui</ext-link>, Taiyuan University of Science and Technology, China</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Yi Wang, <email>wangyi301@126.com</email>
</corresp>
<fn fn-type="other">
<p>This article was submitted to Bionics and Biomimetics, a section of the journal Frontiers in Bioengineering and Biotechnology</p>
</fn>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>08</day>
<month>10</month>
<year>2021</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2021</year>
</pub-date>
<volume>9</volume>
<elocation-id>766495</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>29</day>
<month>08</month>
<year>2021</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>15</day>
<month>09</month>
<year>2021</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2021 Cheng, Xu, Liu, Hao and Wang.</copyright-statement>
<copyright-year>2021</copyright-year>
<copyright-holder>Cheng, Xu, Liu, Hao and Wang</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these&#x20;terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Robotic manipulators are widely used for precise operation in the medical field. Vibration suppression control of robotic manipulators has become a key issue affecting work stability and safety. In this paper an optimal trajectory planning control method to suppress the vibration of a variable-stiffness flexible manipulator considering the rigid-flexible coupling is proposed. Through analyzing the elastic deformation of the variable-stiffness flexible manipulator, a distributed dynamic physical model of the flexible manipulator is constructed based on the Hamilton theory. Based on the mathematical model of the system, the design of the vibration damping controller of the flexible manipulator is proposed, and the control system with nonlinear input is considered for numerical analysis. According to the boundary conditions, the vibration suppression effect of the conventional and the variable-stiffness flexible manipulator is compared. The motion trajectory of the variable-stiffness flexible manipulator and compare the vibration response from different trajectories. Then, with minimum vibration displacement, minimum energy consumption and minimum trajectory tracking deviation as performance goals, the trajectory planning of the variable-stiffness flexible manipulator movement is carried out based on the cloud adaptive differential evolution (CADE) optimization algorithm. The validity of the proposed trajectory planning method is verified by numerical simulation.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>variable-stiffness flexible manipulator</kwd>
<kwd>control design</kwd>
<kwd>vibration reduction</kwd>
<kwd>trajectory planning</kwd>
<kwd>CADE optimization algorithm</kwd>
</kwd-group>
<contract-sponsor id="cn001">National Natural Science Foundation of China<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100001809</named-content>
</contract-sponsor>
<contract-sponsor id="cn002">Beijing Nova Program<named-content content-type="fundref-id">10.13039/501100005090</named-content>
</contract-sponsor>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>Introduction</title>
<p>Robotic manipulator plays an important role in medical diagnosis, due to the advantages of fast running speed, high accuracy, and low energy consumption. The dynamic analysis and vibration suppression control of the flexible robot manipulator system had attracted the attention to many scholars (<xref ref-type="bibr" rid="B35">Pratiher and Dwivedy, 2007</xref>; H. Moharam et&#x20;al., 2013; <xref ref-type="bibr" rid="B36">Qiu et&#x20;al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B9">Cao and Liu, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B19">He et&#x20;al., 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B23">Jiang et&#x20;al., 2021</xref>). The flexible manipulator is a dynamic system with strong nonlinearity and strong rigid-flexible coupling. The robot manipulators are generally considered to be conventional Eular-Bemolulli beams and Timoshcnko beams of equal cross-section (<xref ref-type="bibr" rid="B38">Timoshcnko, 1922</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B4">Benosman and Le Vey, 2004</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">Dwivedy and Eberhard, 2006</xref>). In the existing research on vibration control of flexible manipulators, Euler-Bernoulli beam theory is mostly used for theoretical modeling (<xref ref-type="bibr" rid="B32">Mladenova and Rashkov, 2004</xref>).</p>
<p>In recent years, scholars&#x2019; main research has focused on homogeneous and continuum manipulator, rectangular thin manipulator, functionally graded manipulator, and rotating flexible manipulator with additional mass (<xref ref-type="bibr" rid="B7">Cai et&#x20;al., 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Cai and Lim, 2008</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Dupont et&#x20;al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B15">Fan, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">Li et&#x20;al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B11">Chen et&#x20;al., 2018</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B40">Zaher and Megahed (2015)</xref> described the deformation of the flexible manipulator using the hypothetical modal method and established a relatively complete dynamic model of the flexible manipulator. <xref ref-type="bibr" rid="B31">Macnab et&#x20;al. (2004)</xref> studied the effect of the centralized mass method in the description of deformation, and verified through experiments that the centralized mass method has better processed results of the complex shape of the manipulator, but the positioning accuracy is low. In terms of modeling theory, <xref ref-type="bibr" rid="B33">Moallem et&#x20;al. (2015)</xref> established a dynamic model of a flexible manipulator with end mass using Hamilton&#x2019;s principle, and verified the effectiveness of Hamilton&#x2019;s principle through numerical simulation. <xref ref-type="bibr" rid="B21">Herrnstadt and Menon (2016)</xref> developed a single degree of freedom elbow orthosis and performed a linear modeling on the suppression system. The linear model has been widely used to design the control technology of homogeneous flexible manipulators (<xref ref-type="bibr" rid="B22">Huang and Ji, 2020</xref>). However, less work has been done on the nonlinear modeling of variable stiffness manipulators.</p>
<p>At present, there are many researches on physical components and control optimization methods for suppressing vibration of flexible manipulator (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Diken, 2000</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B24">Jinqiao et&#x20;al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Guo et&#x20;al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Wilbanks and Leamy, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Chen et&#x20;al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">Niu et&#x20;al., 2021</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B41">Zhang et&#x20;al., 2021</xref>). <xref ref-type="bibr" rid="B25">Korayem and Ghariblu (2004)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B17">Ghariblu and Korayem (2006)</xref>, <xref ref-type="bibr" rid="B28">Korayem et&#x20;al. (2011)</xref>, and <xref ref-type="bibr" rid="B27">Korayem et&#x20;al. (2013)</xref> proposed an open-loop optimal control method to generate the optimal trajectory of a flexible mobile manipulator in point-to-point motion, so that the robot can bear the maximum load between two designated terminal positions. For the single-link flexible arm mounted on the base (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Abe, 2009</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B1">Abe and Komuro, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Abe, 2013</xref>), proposed a point-to-point trajectory planning algorithm. The cycloid function is used as the benchmark of motion trajectory interpolation, and the end residual amplitude is minimized as the goal for optimization, and a good vibration suppression effect is achieved. <xref ref-type="bibr" rid="B6">Boscariol and Gasparetto (2013)</xref> used the finite element method to establish a dynamic model of the planar flexible manipulator, and then used the indirect method to plan the trajectory of the planar flexible manipulator. <xref ref-type="bibr" rid="B26">Korayem et&#x20;al. (2009)</xref> established an optimization model of boundary value constraints based on Pontryagin theory, and obtained the vibration suppression trajectory of the point-to-point control of the flexible manipulator. <xref ref-type="bibr" rid="B16">Fairs et&#x20;al. (2009)</xref> used fourth-order polynomial motion trajectory and soft motion trajectory respectively, and took the loss energy in the motion process as the fitness function, and used genetic algorithm to optimize the motion trajectory of the two-link flexible manipulator to suppress residual vibration. <xref ref-type="bibr" rid="B20">Heidari et&#x20;al. (2013)</xref> and others established a nonlinear finite element dynamic model of a three-dimensional flexible manipulator, and based on Pontryagin theory to use optimal control to obtain the optimal trajectory with minimum energy and minimum vibration. <xref ref-type="bibr" rid="B6">Boscariol and Gasparetto (2013)</xref> proposes a point-to-point trajectory plan method of minimum actuator jerks and vibrations. However, they did not consider the effects of variable stiffness, amplitude, energy consumption and trajectory approximation errors at the same time. Moreover, there are few researches on vibration suppression of flexible manipulators with variable stiffness rigid-flexible coupling, which brings challenges to the design of control methods.</p>
<p>In this paper, the problem of vibration suppression control of a variable-stiffness flexible manipulator in the presence of nonlinear input is studied. There are three contributions of this paper.<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) The PDE model of the variable-stiffness flexible manipulator is given in the presence of nonlinear input, which has better dynamic characteristics than the conventional manipulator.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) A feedback controller of a manipulators that can realize joint angled control and suppress boundary vibration is proposed, in which the manipulator adopts a variable stiffness design.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3) The global optimization performance of the traditional optimization algorithm is improved by the CADE optimization algorithm, and then the minimum vibration displacement, the minimum energy consumption and the minimum trajectory tracking deviation are the performance goals, and the trajectory planning motion control of the variable stiffness flexible manipulator is carried&#x20;out.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>The remainder of this article is structured as follows. The PDE dynamic model for the variable-stiffness flexible manipulator is presented in <italic>Dynamic Modeling of Variable-Stiffness Flexible Manipulator</italic> section. A control method of vibration suppression of the variable-stiffness flexible manipulator is proposed to the nonlinear input in <italic>Control Design of the Flexible Manipulator</italic> section. Numerical Analysis of the flexible manipulator is carried out in <italic>Numerical Analysis of the Flexible Manipulator</italic> section. Numerical simulation results of optimization of vibration suppression trajectory are shown in <italic>Optimization of Vibration Suppression Trajectory</italic> section and conclusions are given in <italic>Conclusion</italic> section. The results show that the trajectory planning effect of the variable-stiffness robotic manipulator based on the differential evolution algorithm is better. The robotic manipulator system moves under the optimal vibration suppression trajectory and has smaller residual vibration.</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>Dynamic Modeling of Variable-Stiffness Flexible Manipulator</title>
<p>For the variable-stiffness flexible manipulator system driven by the central rigid body, the analytical model is considered shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref>. The flexible mechanical manipulator is fixed on a central rigid body rotating around a fixed axis in a cantilever manner. The end load is considered as a mass <italic>m</italic>, and the influence of the mass size of the system is ignored. When working, the flexible manipulator is driven by the central rigid body to rotate around the vertical axis O in the horizontal&#x20;plane.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Variable-stiffness flexible manipulator system.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g001.tif"/>
</fig>
<sec id="s2-1">
<title>Preliminaries</title>
<p>In order to facilitate the subsequent analysis, we propose the following lemmas, explanations and hypotheses for the formula derivation of the research.</p>
<p>
<statement content-type="remark" id="Remark_1">
<label>Remark 1</label>
<p>For clarify, the notation<inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:msubsup>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mo>&#x2217;</mml:mo>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2202;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="lemma" id="Lemma_1">
<label>Lemma 1</label>
<p>The length of the flexible manipulator is L, let <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Then the following inequalities hold as (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Rahn, 2002</xref>)<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3c6;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>
</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="lemma" id="Lemma_2">
<label>Lemma 2</label>
<p>Let <inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> be a a function defined on <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x221e;</mml:mi>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Then the following inequalities hold as (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Rahn, 2002</xref>)<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="assumption" id="Assumption_1">
<label>Assumption 1</label>
<p>In this paper, the effect of gravity is ignored in the established physical model. Since both the rotational movement and elastic vibration of the flexible manipulator occurs to the horizontal plane, and the length of the mechanical manipulator is much larger than its cross-sectional width and height, it is assumed to be an Eider-Bernoulli&#x20;beam.</p>
</statement>
</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>Dynamics Analysis of the Flexible Manipulator</title>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure&#x20;1</xref>, <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is defined as the inertial coordinate of the system, the coordinate system <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is a follow-up coordinate system fixed on the flexible manipulator, and the <italic>X</italic>
<sub>
<italic>1</italic>
</sub> axis is always tangent to the root of the flexible manipulator. The offset of the flexible manipulator during the movement is<inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the displacement of the flexible manipulator is<inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, where y(x, t) and &#x3b8;(t) respectively indicate the elastic deflection of the flexible manipulator and the angular position of the flexible manipulator.</p>
<p>The kinetic energy <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the manipulator includes the rotational kinetic energy <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the central rigid body, the kinetic energy <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the flexible manipulator and the kinetic energy <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the mass of the flexible manipulator. The relationship between them can be given as <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be written as<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the moment of inertia of the central rigid body, <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the density of the flexible manipulator, <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cross-sectional area of the flexible manipulator, which also changes with the length <italic>x</italic>. <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the actual rotation angle of the flexible manipulator, and <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the absolute displacement of t the flexible manipulator in the <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> coordinate system.</p>
<p>The potential energy <italic>Ep</italic> of the flexible arm system is expressed as follows<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the elastic modulus of the flexible manipulator, <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is tension of the flexible manipulator, and <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>is the moment of inertia that changes with the length <italic>x</italic>. <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the elastic vibration displacement of the flexible arm in the <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>O</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>Y</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> coordinate system.</p>
<p>The control moment <italic>u(x,t)</italic> is added to drive the flexible manipulator system, <italic>F(L,t)</italic> is the input torque of the mass of the flexible manipulator, and its non-conservative force work <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be expressed as<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The continuous mass distribution and continuous stiffness distribution characteristics of the flexible manipulator are considered. According to Hamilton&#x2019;s principle Eq. 37, the variational equation of the flexible manipulator is defined as<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eqs 3</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>, the variational formula for the kinetic energy <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the flexible manipulator is simplified based on the rule of integration as<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>k</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Eqs 4</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>, the variational formula for the potential energy <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the flexible manipulator is simplified based on the rule of integration as<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m49">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Eqs 5</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">6</xref>, the variational formula for the non-conservative force work <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the flexible manipulator is simplified based on the rule of integration as<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>W</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Based on <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Eqs 6</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">7</xref>, the boundary conditions of the flexible manipulator are processed. The central rigid body is the fixed end, and its elastic displacement and elastic angular displacement are both zero. The end of the flexible manipulator is in a free state, and its bending moment and shear force are both zero. Then the boundary conditions of the flexible manipulator can be obtained as<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>
<statement>
<p>Property 1: If <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the kinetic energy of the system described by <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref> is bounded, then the state <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> related to it is also bounded in the corresponding&#x20;range.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement>
<p>Property 2: If <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>max</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the kinetic energy of the system described by <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Eq. 3</xref> is bounded, then the state <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> related to it is also bounded in the corresponding&#x20;range.</p>
</statement>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s3">
<title>Control Design of the Flexible Manipulator</title>
<sec id="s3-1">
<title>Design of Control Method</title>
<p>According to the analytical model without external disturbance, the following variable-stiffness flexible manipulator system with governing equation as<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the elastic modulus of the flexible manipulator, <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is tension of the flexible manipulator, and <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>is the moment of inertia that changes with the length&#x20;<italic>x</italic>.</p>
<p>The control objective is to build a distributed control <italic>u(t)</italic> to ensure that system state <italic>y(x, t)</italic> can track the variable reference trajectory <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> without violation of desired constraint. The force balance relationship of the boundary can be expressed as<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>A nonlinear boundary input is applied to the end of the manipulator, and control is performed at the end of the manipulator to adjust the vibration of the manipulator, so that the system tends to stabilize faster. According to the boundary <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eq. 10</xref>, the nonlinear boundary input <italic>F(x,t)</italic> can be obtained as<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>When the kinetic energy, the potential energy of the flexible manipulator, and the kinetic energy of the mass are the smallest, the elastic deformation y(x, t) of the flexible manipulator is the smallest. Through considering tracking error and tracking error rate of change, the Lyapunov function is constructed as<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the sum of the kinetic energy and potential energy of the flexible manipulator, and represents an index for&#x20;restraining the bending deformation and bending change rate of the flexible manipulator. <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> represents the control error index and the kinetic energy of the mass. <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the cross&#x20;auxiliary term. Then <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are defined as<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>Where <italic>k</italic>
<sub>1</sub> is the gain related to the controller, and <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Then the vibration suppression control strategy design is shown in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure&#x20;2</xref>.</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Block diagram of control with trajectory planning for the flexible manipulator.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g002.tif"/>
</fig>
<p>In the absence of external disturbances, the controller <italic>u(t)</italic> is designed to suppress vibration and track the trajectory <inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Combining the control equations, boundary conditions and candidate Lyapunov function, through calculation and deduction, the controller of the variable-stiffness flexible manipulator system is designed as<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>Where <italic>k</italic>
<sub>2</sub> is the gain related to the controller, and <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>Analysis of System Stability and Boundedness</title>
<p>
<statement content-type="lemma" id="Lemma_3">
<label>Lemma 3</label>
<p>The boundedness of the Lyapunov function <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref> is given as<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="proof" id="uProof_1">
<label>Proof</label>
<p>For the cross-phase <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Eq. 15</xref>, the following inequality can be obtained as<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m86">
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mtext>&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mtext>&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>max</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>Then <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained as<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Therefore, V(t) can be obtained as<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>max</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3be;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are two positive constants.</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="lemma" id="Lemma_4">
<label>Lemma 4</label>
<p>The time derivative of the Lyapunov function <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> is proved to be bounded as<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>
</p>
</statement>
</p>
<p>
<statement content-type="proof" id="uProof_2">
<label>Proof</label>
<p>Differentiating <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Eq. 14</xref> with respect to time, <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is obtained as<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The error information <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of the angle can be obtained as<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2033;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Substituting boundary condition <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Eqs 10</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e15">15</xref> into <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Eq. 22</xref>, <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained as<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Then <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained as<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Then <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained as<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>A</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Combining <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Eqs 12</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">16</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">22</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e24">24</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e26">26</xref>, based on Lemma 1 and Lemma 2, <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained as<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>Where<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>-</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msup>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>7</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b1;</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b2;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The parameters are chosen appropriately to make sure that <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, n &#x3d; 1&#x2013;6.</p>
<p>Then combining Lemma 3 and <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Eq. 27</xref>, <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can be obtained as<disp-formula id="e29">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mi>V</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(29)</label>
</disp-formula>where <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>min</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b3;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>E</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mi>I</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>}</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>With Lyapunov direct method and based on Lemmas 1 and 2, the stability of the system with the proposed control law is analyzed. According to the analysis result, it can be found that the control system is a closed loop system and the system is stable. When the appropriate control gain parameters are selected, the system vibration state and angle tracking error will eventually converge. So as to achieve the purpose of restraining the elastic vibration during the movement towards the system and driving the arm of a predetermined&#x20;angle.</p>
</statement>
</p>
</sec>
</sec>
<sec id="s4">
<title>Numerical Analysis of the Flexible Manipulator</title>
<p>In order to investigate the reliability of the control model, a specimen with variable stiffness was designed for dynamic testing. The dynamic tests were carried out on specimens of the shape shown in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure&#x20;3</xref>.</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Numerical simulation structural drawing.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g003.tif"/>
</fig>
<p>The material of the variable-stiffness flexible manipulator is aluminum alloy, and the central rigid body is driven by a private motor. The material properties of the variable-stiffness flexible manipulator system are given in <xref ref-type="table" rid="T1">Table&#x20;1</xref>. It is assumed that the joints of the flexible manipulator system completely track the trajectory during the movement, the whole movement process of the flexible manipulator is numerically simulated.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Parameters of the variable-stiffness flexible manipulator.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">Parameters</th>
<th align="center">Description</th>
<th align="center">Value</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">L</td>
<td align="center">Length of the flexible manipulator</td>
<td align="center">0.6&#xa0;m</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">m</td>
<td align="center">Mass of the end payload</td>
<td align="center">6.7&#xa0;kg</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">T</td>
<td align="center">Tension of the flexible manipulator</td>
<td align="center">5&#xa0;N</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">E</td>
<td align="center">Elastic Modulus of the flexible manipulator</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:mn>6.9</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>N</mml:mi>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m115">
<mml:mi>&#x3c1;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="center">Density of the flexible manipulator</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:mn>2.767</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>k</mml:mi>
<mml:mi>g</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>m</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">B1</td>
<td rowspan="2" align="center">Width of the cross section in the flexible manipulator</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;m</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">B2</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;m</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">H1</td>
<td rowspan="2" align="center">Height of the cross section in the flexible manipulator</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;m</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">H2</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;m</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<sec id="s4-1">
<title>Numerical Analysis of Flexible Manipulators Control</title>
<p>In order to explore the superiority in the variable-stiffness manipulator, the control effects of two different rigid-flexible coupling manipulator models can be compared. The flexible robotic manipulators connected with a cantilever manner on the central rigid body include a uniform-stiffness robotic manipulator and a variable-stiffness flexible manipulator. The length and quality of the manipulator remains equal. The cross-section height <italic>H</italic> of the uniform-stiffness flexible manipulator is <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mtext>.</mml:mtext>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;m and the width <italic>B</italic> is <inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mo>&#xd7;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>10</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>&#xa0;m. The elastic displacement changes of the middle and end of the uniform and variable-stiffness flexible manipulator are shown in <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure&#x20;4</xref>.</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>Elastic deformation of different flexible manipulators <bold>(A)</bold> x &#x3d; L. <bold>(B)</bold> x &#x3d; L/2.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g004.tif"/>
</fig>
<p>With the same controller and the same material properties of the manipulator, the maximum amplitude of the end of the variable-stiffness manipulator is 0.058&#xa0;m, while the maximum amplitude of the end of the uniform-stiffness manipulator is 0.065&#xa0;m. It can be found that the maximum elastic displacement of the variable stiffness manipulator is smaller.</p>
</sec>
<sec id="s4-2">
<title>Design of Motion Trajectory</title>
<p>According to the dynamic model of the variable-stiffness flexible manipulator system, it can be seen that the elastic vibration of the flexible manipulator is related to the joint angular displacement, angular velocity and angular acceleration. The trajectory planning of the flexible manipulator is the process of moving from the initial state to the target state within a certain period of time. According to the dynamic equation of the flexible manipulator system, the relationship between elastic vibration and motion trajectory is established. Therefore, the vibration suppression control of the flexible manipulator system can be performed by the method of joint trajectory planning, and the residual vibration of the system can be reduced.</p>
<p>In order to avoid excessive elastic vibration during the movement towards the flexible manipulator system, not only the trajectory of the system is required to be continuous, but also the first and second derivatives of the trajectory function are also continuous. When trajectory planning is carried out, the following three conditions must be met on the premise of meeting the specified time for the starting position on the target position:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1) The trajectory is smooth and continuous and maintains a monotonous increase or decrease.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2) The track speed and acceleration are smooth and continuous, and do not exceed the maximum limit&#x20;value.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3) The following constraints need to be&#x20;met:</p>
</list-item>
</list>
<disp-formula id="e30">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(30)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>and <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the starting time and ending time respectively, <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>and <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the starting position and ending position of the joint respectively, <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the joint angular velocity and acceleration respectively.</p>
<p>At present, the common motion trajectory curves that meet the above constraints mainly include polynomial of degree five, cycloid and exponential functions (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Biagiotti and Melchiorri, 2009</xref>). The polynomial of degree five, cycloid and exponential functions were taken as the motion trajectory, and compare the elastic vibration generated by the flexible manipulator under different motion trajectories.<disp-formula id="e31">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mn>6</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>15</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>10</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mi>sin</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>v</mml:mi>
<mml:mi>c</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>e</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mi>sin</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msup>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>cos</mml:mi>
<mml:mo>&#x2061;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3c0;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
</mml:mrow>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#xa0;</mml:mtext>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(31)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the trajectory movement time, <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m132">
<mml:mi>&#x3c3;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m133">
<mml:mi>&#x3bb;</mml:mi>
</mml:math>
</inline-formula> are free parameters, and <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<p>It is assumed that <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>20</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>b</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the joint angular displacement, angular velocity and angular acceleration of the flexible manipulator under different trajectories can be obtained. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure&#x20;5</xref>, the designed trajectory meets the above constraints.</p>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Comparison of different designed trajectories. <bold>(A)</bold> Joint angular displacement. <bold>(B)</bold> Joint angular velocity. <bold>(C)</bold> Joint angular acceleration.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g005.tif"/>
</fig>
</sec>
<sec id="s4-3">
<title>Numerical Analysis of Control Based on Different Design Trajectories</title>
<p>Since there is no design movement trajectory, as shown in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure&#x20;6</xref>, it can be found that the variable-stiffness flexible manipulator system obviously has greater vibration, where the deflection of the variable-stiffness flexible manipulator system reaches to 0.058&#xa0;m. The system reached a steady state after about 10&#xa0;s.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>Movement without trajectory planning: <bold>(A)</bold> Elastic deformation. <bold>(B)</bold> Rate of change of elastic deformation.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g006.tif"/>
</fig>
<p>The central rigid body joint performs trajectory tracking based on the designed controller according to the trajectory <xref ref-type="disp-formula" rid="e31">Eq. 31</xref>, and the corresponding joint angle and acceleration changes can be obtained. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure&#x20;7</xref>, the greater the maximum acceleration of the motion trajectory, the greater the fluctuation of the joint angle. The smaller the acceleration when near the target position, the faster the system will stabilize.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>Trajectory tracking: <bold>(A)</bold> Angle. <bold>(B)</bold> Angular&#x20;speed.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g007.tif"/>
</fig>
<p>The elastic displacement changes of the middle and end of the variable-stiffness flexible manipulator under the designed trajectory are shown in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure&#x20;8</xref>. The flexible manipulator has large elastic vibrations in the process of following the trajectory, and there is still a certain degree of residual vibration after the movement. Under different motion trajectories, the elastic vibration changes of the flexible mechanical manipulator are different. The greater the maximum acceleration of the motion trajectory, the greater the maximum elastic displacement generated. The smaller the acceleration when near the target position, the smaller the residual vibration displacement. When there is no trajectory planning, a large elastic displacement will be produced during the movement, and vibration will be produced during the movement, especially after the movement, the vibration takes a long time to recover to a stable state. This situation not only reduces the stability of the system, but also shortens the service life of the flexible manipulator. According to the comparison results, the maximum elastic displacement of the end under the fifth-order polynomial motion trajectory, cycloid motion trajectory and exponential motion is 0.040, 0.044 and 0.056&#xa0;m. It can be found that the maximum elastic displacement of the flexible manipulator is the smallest when the movement is planned according to the polynomial of degree five trajectory.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Elastic deformation with the trajectory planning <bold>(A)</bold> x &#x3d; L. <bold>(B)</bold> x &#x3d; L/2.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g008.tif"/>
</fig>
<p>As shown in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure&#x20;9</xref>, the distributed elastic deformation and change rate of the manipulator after the polynomial of degree five trajectory movement can be obtained. It can be found that the vibration of the variable-stiffness flexible manipulator system is obviously reduced, where the maximum deflection rate of the variable-stiffness flexible manipulator system reaches to 0.028&#xa0;m. The system reached a steady state after about 5&#xa0;s.</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Movement with the polynomial of degree five trajectory (x &#x3d; L) <bold>(A)</bold> Elastic deflection. <bold>(B)</bold> Elastic deflection&#x20;rate.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g009.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec id="s5">
<title>Optimization of Vibration Suppression Trajectory</title>
<p>According to the vibration suppression results after trajectory planning, it can be found that vibration at the end of the variable-stiffness flexible manipulator after joint angular motion is still large. In order to make the mechanical arm system have a small residual vibration during movement and reduce it to zero in a short time, and make the end of the system reach the target position quickly and accurately, the above ideal trajectory needs to be optimized.</p>
<sec id="s5-1">
<title>Optimization Target of Vibration Reduction</title>
<p>In view of the characteristics of the flexible manipulator system, considering the conservation of energy, the non-conservative force is used to express the total energy consumed by the system during the movement. In order to measure the amount of elastic vibration of the flexible manipulator during the movement and after the movement, a suppression indexed including the elastic displacement of the end during the movement and the residual vibration displacement of the end after the movement is proposed. Therefore, the objective function can be obtained as<disp-formula id="e32">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mi>J</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>u</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>F</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>z</mml:mi>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>L</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:msup>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mstyle displaystyle="true">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>i</mml:mi>
<mml:mi>s</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x7c;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:mstyle>
<mml:mi>d</mml:mi>
<mml:mi>t</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(32)</label>
</disp-formula>Where <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the elastic displacement of the end of the flexible manipulator, <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are the weighting factors of the three terms in the formula, and <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>r</mml:mi>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <italic>u(x,t)</italic> is the control input signal, and dis(<italic>t</italic>) is the distance between the actual trajectory and the ideal trajectory. When trajectory planning is performed to ensure that <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:mi>y</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>l</mml:mi>
<mml:mi>L</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is minimum, the purpose of vibration suppression of the flexible manipulator system can be achieved through trajectory planning.</p>
</sec>
<sec id="s5-2">
<title>Trajectory Optimization Based on CADE Algorithm</title>
<p>The differential evolution (DE) optimization algorithm is a bionic intelligent algorithm that simulates the biological evolution mechanism of nature. The realization mechanism is to randomly reorganize the temporary individuals generated by the individual differences in the population to complete the population evolution. However, the mutated individuals are selected randomly, which increases the randomness of the algorithm, which leads to randomness in the optimization direction, and reduces the convergence speed. The cloud adaptive differential evolution (CADE) optimization algorithm uses cloud mutation operation, and new individuals are generated near the best individuals produced by the previous generation, which not only improves the convergence speed, but also maintains the characteristics of the best individuals. To ensure the randomness of basic mutation operations and the stable tendency of cloud mutation operations, the two methods are combined to perform mutation operations. The optimization algorithm has stronger robustness and convergence, and has a good effect on solving numerical optimization problems. The CADE algorithm flow chart is shown in <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure&#x20;10</xref>.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>CADE algorithm calculation flow&#x20;chart.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g010.tif"/>
</fig>
<p>In order to obtain the optimal trajectory, the ideal trajectory (polynomial of degree five) is optimized to minimize the objective function <xref ref-type="disp-formula" rid="e32">Eq. 32</xref> based on the CADE optimization algorithm. The algorithm introduces a cloud model that can generate cloud droplets with a stable tendency. During the evolution process, it can target the optimal individual, perform adaptive positioning of the global optimal solution, and improve the convergence speed. The mutation operation of the CADE algorithm is completed by the normal cloud generator, and the mutation factor and crossover factor are adaptively adjusted during the evolution process to ensure the diversity of new individuals in the early stage and the convergence in the later&#x20;stage.</p>
<p>After the ideal trajectory is optimized by the CADE algorithm, a set of best deviations can be obtained, and then the best discrete trajectory is obtained as<disp-formula id="e33">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mo>[</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>...</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>]</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(33)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In order to obtain the continuous optimal trajectory, the cubic spline interpolation method is used to interpolate the discrete trajectory. The interpolation condition can be defined as<disp-formula id="equ1">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>{</mml:mo>
<mml:mtable columnalign="left">
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo stretchy="true">&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
<mml:mtr>
<mml:mtd>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x2032;</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mo>&#x27;</mml:mo>
<mml:mi>d</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mtd>
</mml:mtr>
</mml:mtable>
</mml:mrow>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(34)</label>
</disp-formula>Where the interpolation node is<disp-formula id="e35">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mo>(</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>)</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mi>&#x3b8;</mml:mi>
<mml:mo>&#xaf;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>o</mml:mi>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;&#xa0;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mi>t</mml:mi>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mi>E</mml:mi>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>&#xa0;&#xa0;&#xa0;</mml:mtext>
<mml:mi>j</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1,2</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>...</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>n</mml:mi>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(35)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The continuous function obtained by interpolation is used as the optimal trajectory of the joint. The designed controller <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Eq. 16</xref> is used to track the optimal trajectory. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure&#x20;11</xref>, the optimal vibration suppression trajectory curve and its speed curve can be obtained through optimization. Through comparing with the ideal trajectory, it can be seen that the optimized trajectory and its speed after optimization meet the boundary constraints, so the optimized trajectory meets the vibration suppression requirements. By comparing with the ideal motion trajectory, it can be seen that the maximum speed of the optimized vibration suppression trajectory are less than that of the ideal trajectory (polynomial of degree five).</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>Comparison of ideal trajectory and optimized trajectory <bold>(A)</bold> Angle <bold>(B)</bold> Angle&#x20;speed.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g011.tif"/>
</fig>
<p>Then the effect of trajectory vibration suppression after unverified optimization can be obtained. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F12">Figure&#x20;12</xref>, it can be seen that the maximum elastic displacement of the end of the flexible manipulator under the optimized vibration suppression trajectory is 0.033&#xa0;m, the maximum elastic deflection stabilizes after 4&#xa0;s.</p>
<fig id="F12" position="float">
<label>FIGURE 12</label>
<caption>
<p>Movement with the optimized trajectory (<italic>x</italic>&#x20;&#x3d; <italic>L</italic>) <bold>(A)</bold> Elastic deflection. <bold>(B)</bold> Elastic deflection&#x20;rate.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g012.tif"/>
</fig>
<p>The vibration suppression effect after the optimized trajectory and the ideal trajectory are compared. As shown in <xref ref-type="fig" rid="F13">Figure&#x20;13</xref>, it can be seen that he flexible manipulator moves under the optimized trajectory, and the elastic displacement of the end is smaller than the ideal trajectory during the movement, and the maximum elastic displacement ratio between the optimal trajectory and the ideal trajectory is 0.8:1. Compared with the elastic vibration during the movement of the flexible manipulator, the vibration at the end of the flexible manipulator is suppressed to a greater extent of the optimal vibration suppression trajectory. After the movement is completed, the flexible manipulator can quickly return to stable state, which is 1&#xa0;s faster than the ideal trajectory.</p>
<fig id="F13" position="float">
<label>FIGURE 13</label>
<caption>
<p>Elastic deflection of ideal trajectory and optimized trajectory <bold>(A)</bold> <italic>x</italic>&#x20;&#x3d; <italic>L</italic>. <bold>(B)</bold> <italic>x</italic>&#x20;&#x3d; <italic>L</italic>/2.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fbioe-09-766495-g013.tif"/>
</fig>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s6">
<title>Conclusion</title>
<p>In this work, the vibration control problem of a variable-stiffness flexible manipulator with boundary input is studied. Taking into account the coupling characteristics between the central rigid body and the robot manipulator, using Hamilton&#x2019;s principle, the PDE dynamic model of the flexible system is derived. It is worth mentioning that all analyses are based on the original PDE model. Simulation studies shows that the elastic deflection of the variable-stiffness flexible manipulator after trajectory planning is significantly reduced, and the system stabilizes in a short period of time. Then the ideal trajectory is optimized based on the CADE algorithm. The variable stiffness manipulator system under the optimized trajectory tends to stabilize and converge after 5&#xa0;s. The proposed trajectory planning method not only improves the stability and positioning accuracy of the variable stiffness robot manipulator system, but also has a better vibration reduction effect. This study did not consider the influence of materials on the elastic deformation of the manipulator. In the future, the controller design for the variable-stiffness robotic flexible manipulator in the presence of different disturbances will be studied.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec id="s7">
<title>Data Availability Statement</title>
<p>The original contributions presented in the study are included in the article/supplementary material, further inquiries can be directed to the corresponding author.</p>
</sec>
<sec id="s8">
<title>Author Contributions</title>
<p>QC provided research ideas and plans, WX designed the controller and optimized the trajectory to suppress vibration, ZL analyzed and interpreted the simulation results, WX and XH wrote the manuscript together, and YW revised the manuscript for the corresponding author and approved the final submission.</p>
</sec>
<sec id="s9">
<title>Funding</title>
<p>This research was supported by the National Natural Science Foundation of China (No. 51975012), Beijing Nova Programme Interdisciplinary Cooperation Project (No. Z191100001119010), and Youth Training Project of Chinese PLA General Hospital (No. QNC19018).</p>
</sec>
<sec sec-type="COI-statement" id="s10">
<title>Conflict of Interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s11">
<title>Publisher&#x2019;s Note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abe</surname>
<given-names>Akira.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Komuro</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Minimum Energy Trajectory Planning for Vibration Control of a Robotic Manipulator Using a Multi-Objective Optimisation Approach</article-title>. <source>Reliability Eng. Syst. Saf.</source> <volume>76</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>217</fpage>&#x2013;<lpage>226</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abe</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). &#x201c;<article-title>Minimum Energy Trajectory Planning Method for Robot Manipulator Mounted on Flexible Base</article-title>,&#x201d; in <conf-name>2013 9th Asian Control Conference (ASCC)</conf-name>, <conf-loc>Istanbul, Turkey</conf-loc>, <conf-date>23-26 June 2013</conf-date> (<publisher-name>IEEE</publisher-name>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/ascc.2013.6606088</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abe</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Trajectory Planning for Residual Vibration Suppression of a Two-Link Rigid-Flexible Manipulator Considering Large Deformation</article-title>. <source>Mechanism Machine Theor.</source> <volume>44</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>1627</fpage>&#x2013;<lpage>1639</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechmachtheory.2009.01.009</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Benosman</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Le Vey</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Control of Flexible Manipulators: A Survey</article-title>. <source>Robotica</source> <volume>22</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>533</fpage>&#x2013;<lpage>545</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0263574703005642</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Biagiotti</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Melchiorri</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <source>Trajectory Planning for Automatic Machines and Robots</source>. <publisher-loc>Heidelberg</publisher-loc>: <publisher-name>Springer Berlin</publisher-name>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/978-3-540-85629-0</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Boscariol</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gasparetto</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Model-based Trajectory Planning for Flexible-Link Mechanisms with Bounded Jerk</article-title>. <source>Robotics and Computer-Integrated Manufacturing</source> <volume>29</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>90</fpage>&#x2013;<lpage>99</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.rcim.2012.11.003</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>G.-P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hong</surname>
<given-names>J.-Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>S. X.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Dynamic Analysis of a Flexible Hub-Beam System with Tip Mass</article-title>. <source>Mech. Res. Commun.</source> <volume>32</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>173</fpage>&#x2013;<lpage>190</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechrescom.2004.02.007</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cai</surname>
<given-names>G. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lim</surname>
<given-names>C. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2008</year>). <article-title>Dynamics Studies of a Flexible Hub&#x2013;Beam System with Significant Damping Effect</article-title>. <source>J.&#x20;Sound Vibration</source> <volume>318</volume> (<issue>1-2</issue>), <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>17</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2008.06.009</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Cao</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Boundary Vibration Control for a Two-Link Rigid&#x2013;Flexible Manipulator with Quantized Input</article-title>. <source>J.&#x20;Vibration Control.</source> <volume>25</volume> (<issue>23-24</issue>), <fpage>107754631987350</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1077546319873507</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yin</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peng</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rong</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cong</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Monitoring and Recognizing Enterprise Public Opinion from High-Risk Users Based on User Portrait and Random Forest Algorithm</article-title>. <source>Axioms</source> <volume>10</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>106</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3390/axioms10020106</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chen</surname>
<given-names>Y. Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>D. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018</year>). <article-title>An Absolute Nodal Coordinate Formulation Based on Radial point Interpolation Method for Planar Slender Beams</article-title>. <source>J.&#x20;Vibration Eng.</source> <volume>31</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>245</fpage>&#x2013;<lpage>254</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Diken</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2000</year>). <article-title>Frequency-response Characteristics of a Single-Link Flexible Joint Manipulator and Possible Trajectory Tracking</article-title>. <source>J.&#x20;Sound Vibration</source> <volume>233</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>179</fpage>&#x2013;<lpage>194</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1006/jsvi.1999.2810</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dupont</surname>
<given-names>P. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lock</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Itkowitz</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Butler</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Design and Control of Concentric-Tube Robots</article-title>. <source>IEEE Trans. Robot.</source> <volume>26</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>209</fpage>&#x2013;<lpage>225</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tro.2009.2035740</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Dwivedy</surname>
<given-names>S. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Eberhard</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Dynamic Analysis of Flexible Manipulators, a Literature Review</article-title>. <source>Mechanism Machine Theor.</source> <volume>41</volume> (<issue>7</issue>), <fpage>749</fpage>&#x2013;<lpage>777</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mechmachtheory.2006.01.014</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>B-spline Interpolation Method for the Dynamics of Rotating Cantilever Beam</article-title>. <source>Jme</source> <volume>48</volume> (<issue>23</issue>), <fpage>59</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3901/jme.2012.23.059</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Faris</surname>
<given-names>W. F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ata</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sa&#x27;adeh</surname>
<given-names>M. Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). <article-title>Energy Minimization Approach for a Two-Link Flexible Manipulator</article-title>. <source>J.&#x20;Vibration Control.</source> <volume>15</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>497</fpage>&#x2013;<lpage>526</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1077546308095227</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ghariblu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Korayem</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Trajectory Optimization of Flexible mobile Manipulators</article-title>. <source>Robotica</source> <volume>24</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>333</fpage>&#x2013;<lpage>335</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0263574705002225</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Guo</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ni</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). &#x201c;<article-title>A Vibration Suppression Method for Flexible Joints Manipulator Based on Trajectory Optimization</article-title>,&#x201d; in <conf-name>IEEE International Conference on Mechatronics &#x26; Automation</conf-name>, <conf-loc>Harbin, China</conf-loc>, <conf-date>7-10 Aug. 2016</conf-date> (<publisher-name>IEEE</publisher-name>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/icma.2016.7558585</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>He</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zou</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>PDE Model-Based Boundary Control Design for a Flexible Robotic Manipulator with Input Backlash</article-title>. <source>IEEE Trans. Contr. Syst. Technol.</source> <volume>27</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>790</fpage>&#x2013;<lpage>797</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/tcst.2017.2780055</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Heidari</surname>
<given-names>H. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Korayem</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haghpanahi</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Batlle</surname>
<given-names>V. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Optimal Trajectory Planning for Flexible Link Manipulators with Large Deflection Using a New Displacements Approach</article-title>. <source>J.&#x20;Intell. Robotic Syst.</source> <volume>72</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>287</fpage>&#x2013;<lpage>300</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10846-012-9807-1</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Herrnstadt</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Menon</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Voluntary-Driven Elbow Orthosis with Speed-Controlled Tremor Suppression</article-title>. <source>Front. Bioeng. Biotechnol.</source> <volume>4</volume>, <fpage>29</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fbioe.2016.00029</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Huang</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ji</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Vibration Control of Coupled Duffing Oscillators in Flexible Single-Link Manipulators</article-title>. <source>J.&#x20;Vibration Control.</source> <volume>27</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>2058</fpage>&#x2013;<lpage>2068</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1077546320952598</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jiang</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hu</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yun</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Manipulator Grabbing Position Detection with Information Fusion of Color Image and Depth Image Using Deep Learning</article-title>. <source>J.&#x20;Ambient Intell. Hum. Comput</source>, <fpage>1</fpage>&#x2013;<lpage>14</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s12652-020-02843-w</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Jinqiao</surname>
<given-names>Dai.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aimin</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aiguo</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>A Magneto-Rheological Fluid Based Damper for Vibration Control of Flexible Robot</article-title>. <source>Robot</source> <volume>32</volume> (<issue>3</issue>), <fpage>358</fpage>&#x2013;<lpage>362</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korayem</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ghariblu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Analysis of Wheeled mobile Flexible Manipulator Dynamic Motions with Maximum Load Carrying Capacities</article-title>. <source>Robotics Autonomous Syst.</source> <volume>48</volume> (<issue>2-3</issue>), <fpage>63</fpage>&#x2013;<lpage>76</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/s0921-8890(04)00102-2</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korayem</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bamdad</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bayat</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2009</year>). &#x201c;<article-title>Optimal Trajectory Planning with Maximum Load Carrying Capacity for cable Suspended Robots</article-title>,&#x201d; <source>.</source>in <conf-name>Mechatronics and its Applications, 2009. ISMA &#x27;09. 6th International Symposium</conf-name>, <conf-loc>Sharjah, United Arab Emirates</conf-loc>, <conf-date>23-26 March 2009</conf-date> (<publisher-name>IEEE</publisher-name>). </citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korayem</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mostafa</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hamed</surname>
<given-names>R. N.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Dynamic Load Carrying Capacity of Flexible Manipulators Using Finite Element Method and Pontryagin&#x27;s Minimum Principle</article-title>. <source>J.&#x20;Optimization Ind. Eng.</source> <volume>6</volume>, <fpage>17</fpage>&#x2013;<lpage>24</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Korayem</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nohooji</surname>
<given-names>H. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Nikoobin</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Path Planning of mobile Elastic Robotic Arms by Indirect Approach of Optimal Control</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Adv. Robotic Syst.</source> <volume>8</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>10</fpage>&#x2013;<lpage>20</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.5772/10524</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>D. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>W. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Free Vibration Analysis of a Rotating Hub-Functionally Graded Material Beam System with the Dynamic Stiffening Effect</article-title>. <source>J.&#x20;Sound Vibration</source> <volume>333</volume> (<issue>5</issue>), <fpage>1526</fpage>&#x2013;<lpage>1541</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2013.11.001</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="confproc">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Macnab</surname>
<given-names>C. J.&#x20;B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>D&#x27;Eleuterio</surname>
<given-names>G. M. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Meng</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). &#x201c;<article-title>CMAC Adaptive Control of Flexible-Joint Robots Using Backstepping with Tuning Functions</article-title>,&#x201d; in <conf-name>IEEE International Conference on Robotics &#x26; Automation</conf-name>, <conf-loc>New Orleans, LA, USA</conf-loc>, <conf-date>26&#x20;April-1 May 2004</conf-date> (<publisher-name>IEEE</publisher-name>). <pub-id pub-id-type="doi">10.1109/robot.2004.1307465</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mladenova</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Rashkov</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2004</year>). <article-title>Modelling of Flexible Link Manipulators</article-title>. <source>Proc. Appl. Math. Mech.</source> <volume>4</volume> (<issue>1</issue>), <fpage>163</fpage>&#x2013;<lpage>164</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/pamm.200410063</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Moallem</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Patel</surname>
<given-names>R. V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Khorasani</surname>
<given-names>K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>An Inverse Dynamics Control Strategy for Tip Position Tracking of Flexible Multi&#x2010;link Manipulators</article-title>. <source>J.&#x20;Field Robotics</source> <volume>14</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>649</fpage>&#x2013;<lpage>658</lpage>. </citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Niu</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A Machining Accuracy Improvement Approach for a Horizontal Machining center Based on Analysis of Geometric Error Characteristics</article-title>. <source>Int. J.&#x20;Adv. Manufacturing Tech.</source> <volume>112</volume> (<issue>9</issue>), <fpage>2873</fpage>&#x2013;<lpage>2887</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s00170-020-06565-3</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Pratiher</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dwivedy</surname>
<given-names>S. K.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2007</year>). <article-title>Parametric Instability of a Cantilever Beam with Magnetic Field and Periodic Axial Load</article-title>. <source>J.&#x20;Sound Vibration</source> <volume>305</volume> (<issue>4-5</issue>), <fpage>904</fpage>&#x2013;<lpage>917</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2007.04.039</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Qiu</surname>
<given-names>Z.-c.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Han</surname>
<given-names>J.-d.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Liu</surname>
<given-names>J.-g.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Experiments on Fuzzy Sliding Mode Variable Structure Control for Vibration Suppression of a Rotating Flexible Beam</article-title>. <source>J.&#x20;Vibration Control.</source> <volume>21</volume> (<issue>2</issue>), <fpage>343</fpage>&#x2013;<lpage>358</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1177/1077546313487760</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Rahn</surname>
<given-names>C. D.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2002</year>). <article-title>Mechatronic Control of Distributed Noise and Vibration: A Lyapunov Approach</article-title>. <source>Meas. Sci. Technol.</source> <volume>13</volume> (<issue>4</issue>), <fpage>643</fpage>&#x2013;<lpage>644</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1088/0957-0233/13/4/704</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Timoshenko</surname>
<given-names>S. P.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1922</year>). <article-title>X. On the Transverse Vibrations of Bars of Uniform Cross-Section</article-title>. <source>Lond. Edinb. Dublin Phil. Mag. J.&#x20;Sci.</source> <volume>43</volume> (<issue>253</issue>), <fpage>125</fpage>&#x2013;<lpage>131</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1080/14786442208633855</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wilbanks</surname>
<given-names>J.&#x20;J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Leamy</surname>
<given-names>M. J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Robust Two-Scale Command Shaping for Residual Vibration Mitigation in Nonlinear Systems</article-title>. <source>J.&#x20;Sound Vibration</source> <volume>462</volume>, <fpage>114927</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jsv.2019.114927</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zaher</surname>
<given-names>M. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Megahed</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Joints Flexibility Effect on the Dynamic Performance of Robots</article-title>. <source>Robotica</source> <volume>33</volume> (<issue>7</issue>), <fpage>1424</fpage>&#x2013;<lpage>1445</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1017/s0263574714000848</pub-id> </citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cheng</surname>
<given-names>Q.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Qi</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tao</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>A General Approach for the Machining Quality Evaluation of S-Shaped Specimen Based on POS-SQP Algorithm and Monte Carlo Method</article-title>. <source>J.&#x20;Manufacturing Syst.</source> <volume>60</volume>, <fpage>553</fpage>&#x2013;<lpage>568</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jmsy.2021.07.020</pub-id> </citation>
</ref>
</ref-list>
</back>
</article>