受到外部扰动的空间机械臂基于模糊递归神经网络的控制策略

针对载体位置不受控、姿态受控的空间机械臂运动控制问题,对具有不确定系统参数的空间机械臂在受到外部扰动工况下动力学建模以及控制算法进行了研究。运用拉格朗日第二类动力学方程及被控系统动量守恒关系,对该工况下空间机械臂运动特性进行了分析,建立了系统在受到外部扰动时的动力学模型,并对动力学特性进行了归纳,提出了一种基于模糊递归神经网络的控制策略。根据李雅普诺夫第二类方法,证明了整个闭环控制系统的运动渐进稳定性。使用计算机数值仿真实验与计算力矩法进行对比,阐述了整个控制系统的有效性。研究结果表明,在存在外部扰动及系统参数不确定时,所设计的控制方案相比于传统计算力矩控制方法具有更好的轨迹跟踪效果和更高的可靠性。     

漂浮基空间机械臂模糊控制仿真

针对空间机械臂动力学建模和轨迹跟踪控制的复杂性,详细介绍了在虚拟样机技术软件ADAMS里,建立漂浮基空间机械臂的动力学模型、轨迹跟踪模糊PD控制策略及其ADAMS和Matlab的联合仿真.在成功建模的基础上,使用模糊PD控制策略,非常好地完成了漂浮基空间机械臂的轨迹跟踪控制任务.     

刚柔混合宏微机械臂运动补偿与控制

刚柔混合宏微机械臂是一类特殊结构机械臂系统,适用于空间大范围运动与精密操作任务。以2个柔性宏机械臂和2个刚性微机械臂构成的平面机械臂为研究对象,对其动力学建模、宏微空间分解、运动误差补偿与控制问题进行了研究,给出了较为详实的仿真实验结果,验证了采用刚柔混合宏微机械臂实现空间轨迹跟踪的可能性。     

柔性机械臂动力学建模理论与实验研究进展

总结了国内外学者在柔性机械臂建模理论及其相关实验等方面的最新研究进展,系统地阐述了柔性机械臂的变形描述方法、关节动力学建模、柔性机械臂系统的动力学建模方法、臂杆的刚化和软化效应、柔性机械臂实验方法等方面的研究现状,提出了现阶段机械臂动力学理论与实验研究存在的问题与不足,预测了柔性机械臂动力学研究的主要方向和核心技术,详细分析了柔性机械臂最佳模态阶数选取、基于动力学特性的柔性机械臂系统参数优化、关节驱动规律的确定、柔性机械臂在高速运转下刚化与软化效应、柔性机械臂关节精细建模、空间柔性机械臂超低速运行时爬行现象等待解决的关键技术问题。     

基于RBF神经元网络的漂浮基空间机械臂关节运动自适应控制方法

讨论了栽体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基空间机械臂关节运动的控制问题.由拉格朗日第二类方法及系统动量、动量矩守恒关系,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程.以此为基础,借助于RBF神经网络技术、Ge-Lee(GL)矩阵及其乘积算子定义,对漂浮基空间机械臂进行了神经网络系统建模;针对空间机械臂系统所有惯性参数均未知的情况,设计了漂浮基空间机械臂关节运动的自适应神经网络控制方案.提出的控制方案不要求系统动力学方程具有通常的关于惯性参数的线性性质,且无需预知系统惯性参数的任何信息,也无需对神经网络进行离线训练、学习,此外,由于充分利用了空间机械臂的系统动力学特性,因此在控制过程中不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度、移动加速度以及姿态转角的角速度、角加速度.一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真证实了该方案的有效性.     

柔性机械臂的位置主动控制

采用一次近似模型对柔性机械臂的运动跟踪主动控制问题进行研究,控制策略采用最优跟踪控制方法。仿真结果显示,一次近似模型能够较好地对柔性机械臂的动力学行为进行描述,最优跟踪控制方法能使机械臂到达期望的指定位置,并可使机械臂的残余振动得到抑制。     

基于加速度反馈的柔性关节机械臂接触力控制

针对柔性关节机械臂从自由空间运动控制过渡到约束空间力控制的过程中,存在冲击、震荡甚至不稳定等问题,利用加速度传感器反馈控制,为柔性关节机械臂的接触力控制在较宽的带宽内提供阻尼,克服了利用单纯速度反馈控制带宽窄的局限。对柔性关节机械臂的接触力控制进行建模和基于加速度反馈的控制策略分析,并在柔性关节机械臂上进行了接触力控制的试验研究。结果表明,这种方法有效。     

基于柔性补偿的行星表面采样机械臂控制策略研究

为了适应行星表面较大范围采样及系统减重需求,行星表面采样机械臂通常由细长的臂杆和多个旋转关节串联组成,柔性特征明显。针对4自由度行星采样机械臂,提出基于柔性补偿的控制策略,以提高机械臂的运动精度。基于混合坐标法建立考虑关节和臂杆弯曲变形的机械臂运动学模型,计算机械臂末端柔性偏差;设计机械臂末端笛卡尔空间加速度连续平滑的变加速-匀速-变减速的运动路径,并在期望路径中实时补偿柔性偏差项;基于simulation X软件,建立精细的动力学和关节控制器模型,对机械臂的典型任务进行仿真,验证控制算法的有效性。结果表明,采用柔性补偿的控制策略能够明显提高机械臂的动态跟踪精度及末端定位精度。     

具有外部扰动的漂浮基空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程,并将其转化为状态空间形式的系统控制方程。以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的Terminal滑模控制方案。提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性。此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性。一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性。     

柔性空间机械臂系统的双环积分滑模控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控的情况下,漂浮基柔性空间机械臂关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了柔性空间机械臂的系统动力学方程,之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。以此为基础,针对慢变子系统———柔性空间机械臂的刚性运动,设计了系统参数未知情况下的双环积分滑模控制方案,以控制柔性空间机械臂的载体姿态及机械臂关节铰协调地完成各自在关节空间的期望运动;而对于快变子系统———柔性臂的振动,则设计了分级模糊控制方案来主动抑制柔性杆的振动。计算机数值仿真证实了该方法的可靠性和有效性。     

平面3R操作臂动力学分析

操作臂是搬运机器人的关键部分,机器人作业主要依赖于操作臂的运动.针对采用D-H法建立运动学模型的平面三自由度旋转关节操作臂,在其运动规划基础上应用牛顿-欧拉法求解动力学方程.该方法建立在相邻连杆之间约束力和力矩的分析之上,具有方便直观、易于迭代求解的特点.在求出动力学方程后,将操作臂设计方案初始参数带入方程,验证了方程...     

水下机器人-机械手系统研究进展：结构、建模与控制

水下机器人-机械手系统（Underwater vehicle-manipulator systems，UVMS）可以完成除观测之外的水下采样、抓取、操作等任务，在海洋科学考察、海洋工程等领域得到广泛应用。通过对近年来国内外UVMS的研究现状进行综述，介绍了不同的UVMS本体结构与机械手构型，总结了UVMS的运动学、动力学和水动力学的建模方法，分析了人机交互式遥控操作控制方式，针对UVMS的自主控制中的运动规划、位置与轨迹跟踪、独立与协调控制、运动补偿控制、力/位置混合控制、视觉伺服控制等问题做了分类阐述。最后总结并对UVMS未来发展方向进行了展望，以期为相关研究人员提供参考。     

7自由度冗余绳驱动机械臂运动分析及仿真

针对传统机械臂负载自重比小、臂身惯量大、人机交互安全性弱等问题,对绳驱动机械臂的结构、绳驱关节耦合、冗余运动学等方面进行了研究,创新设计了一种新型7自由度冗余绳驱动机械臂。采用绳索间接驱动前端4个关节自由度,作为位置控制;采用电机直接驱动腕部关节3个自由度,作为姿态控制。利用绳索将驱动力从基座电机传递至机械臂关节处,实现驱动机构后置;对绳驱关节耦合问题进行分析,建立了电机-关节耦合映射关系;利用位姿分离方式,结合加权最小范数法,进行机械臂逆运动学冗余位置求解。仿真结果表明:耦合映射关系建立正确,冗余运动学求解准确高效,为绳驱机械臂结构优化、动力学建模奠定了基础。     

带滑移铰空间机械臂未端相对轨迹的自适应跟踪控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的带滑移铰空间机械臂的控制问题。结合系统动量守恒关系进行的系统运动学、动力学分析表明,可以得到一组欠驱动形式的空间机械臂系统动力学方程,它们可以表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数,由此克服了空间机械臂系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点。在此基础上,针对系统中机械臂相关参数未知的情况,设计了空间机械臂末端抓手相对运动轨迹跟踪的自适应控制方案。此控制方案具有不需要测量、反馈漂浮基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点,适用于空间站舱内机械手控制系统设计。仿真运算证实了提出的控制方案的有效性。     

三自由度Delta并联机械手轨迹规划方法*

以三自由度Delta并联机械手为研究对象,针对其高速搬运作业下的操作空间和关节空间的轨迹规划策略进行研究。结合实际作业需求,对机械手末端运动轨迹的关键路径点进行设置,建立点到点的搬运作业轨迹。以机械手运动学逆解模型为基础,在操作空间利用3-4-5次多项式运动规律建立操作空间运动特征到关节空间运动特征的映射关系。以机械手运动学正解模型为基础,在关节空间利用五次非均匀有理B样条(NURBS)运动规律建立关节空间运动特征到操作空间运动特征的映射关系。在运动轨迹关键点位置及运动时间相同的条件下,对两种轨迹规划方法进行计算机仿真,对比分析机械手关节角度、角速度和角加速度等运动特征,并通过物理样机试验进行验证。结果表明关节空间内基于五次非均匀有理B样条运动规律的轨迹规划方法在减小运动过程中机械手振动和降低电动机功耗等方面优势明显。     

欠驱动冗余度机械臂的动态自重构

分析了欠驱动冗余度机械臂不同机构模式下运动学模型及动力学模型之间的关系,给出了欠驱动机械臂工作于全驱动模式下的动力学操作性度量指标。提出了一种欠驱动机械臂工作在欠驱动模式时的基于非线性控制技术的自运动控制方法,利用少维数的控制输入实现了机械臂的多维关节空间的运动控制,使欠驱动冗余度机械臂能完成自运动流形控制。提出一种动态提高欠驱动冗余度机械臂工作于全驱动模式时的操作性能的方法,通过有两个被动关节的平面四关节欠驱动机械臂进行了仿真验证。     

基于Simulink的二杆机械臂的运动学仿真

机械臂运动学建模是机械臂控制器设计的一个重要环节.本文研究了平面双连杆机械臂动力学建模的问题.建模简单、方便、有效,以便于进行动力学分析和控制问题的研究.同时通过MATLAB中的Simulink组件进行仿真,在此过程中可通过对仿真参数的修改对连杆机构的参数进行优化.     

载体位姿不受控的空间机械臂非完整特性研究

载体位姿不受控的空间机械臂系统,其载体和机械臂之间存在角动量守恒方程约束。由于该约束是非完整约束,所以普通的固定基座机器人运动学理论不能直接用来解决这类空间机械臂系统的运动学问题,基于这类非完整性约束,推出载体位姿不受控空间机械臂的运动学方程,在速度层次上分析这类载体位姿不受控的空间机械臂的运动学问题,并进行由于非完整特性引起载体位姿干扰与奇异问题的仿真研究。     

Kinematics and Dynamics Hessian Matrices of Manipulators Based on Screw Theory

The complexity of the kinematics and dynamics of a manipulator makes it necessary to simplify the modeling process.However,the traditional representations cannot achieve this because of the absence of coordinate invariance.Therefore,the coordinate invariant method is an important research issue.First,the rigid-body acceleration,the time derivative of the twist,is proved to be a screw,and its physical meaning is explained.Based on the twist and the rigid-body acceleration,the acceleration of the end-effector is expressed as a linear-bilinear form,and the kinematics Hessian matrix of the manipulator(represented by Lie bracket)is deduced.Further,Newton-Euler’s equation is rewritten as a linear-bilinear form,from which the dynamics Hessian matrix of a rigid body is obtained.The formulae and the dynamics Hessian matrix are proved to be coordinate invariant.Referring to the principle of virtual work,the dynamics Hessian matrix of the parallel manipulator is gotten and the detailed dynamic model is derived.An index of dynamical coupling based on dynamics Hessian matrix is presented.In the end,a foldable parallel manipulator is taken as an example to validate the deduced kinematics and dynamics formulae.The screw theory based method can simplify the kinematics and dynamics of a manipulator,also the corresponding dynamics Hessian matrix can be used to evaluate the dynamical coupling of a manipulator.     

一种新型并联机器人的奇异性与工作空间研究

针对一种六棱锥式新型并联机器人的轨迹规划问题,基于具有反解选取准则的机构逆运动学方程,对奇异性和工作空间进行深入研究。由雅可比矩阵提出机构奇异判别方程,并引入可操作度性能指标进行奇异性分析。考虑运动副范围以及连杆干涉等约束条件,采用三维边界搜索法,给出机构在定姿态下工作空间的三维可视化描述。进行边界采样实验,实验结果表明了仿真的正确性。研究结果可为无奇异轨迹规划提供理论依据。