基于虚拟弹簧的欠驱动手指的动力学建模和控制

采用虚拟弹簧对2关节欠驱动手指进行了动力学建模。并使用该方法建立实际的3关节欠驱动手指的动力学模型,通过动态控制实验验证了动力学模型的正确性。该方法不仅避免了求解微分几何方程,并且直接派生出可解耦的动力学模型。可直接进行逆动力学分析、仿真和实时控制。同时,建立了基于动力学模型的速度观测器,用于轨迹跟踪,弥补了欠驱动手没有速度传感器的缺点,补偿了欠驱动环节造成的不确定因素。与PID或计算力矩法相比较,其轨迹跟踪误差更小,动态控制效果更好。     

腱驱动假手手指运动及力分析

为优化多自由度假手的机械结构,降低其复杂性以及提高其可靠性,采用腱驱动方法实现假手单手 指的独立运动．腱驱动假手手指由驱动腱、钢丝轮、3个指节、3个关节及关节扭簧等构成,关节扭簧实现关节 的预紧和腱松弛后关节的回复运动．对弹簧刚度进行优化设计,实现腱驱动的手指各关节的顺序弯曲及手指 的大抓握．分析了手指抓取时各指节所受接触力与钢丝轮驱动力矩之间的关系．建立了手指的动力学模型, 得到手指的动力学方程．数值计算与仿真分析比较证明了理论计算的正确性,手指运动及抓握实验证明了该 种结构手指的可行性．腱驱动的假手手指具有零件少、结构简单、可靠性高等优点,为多自由度假手的研制提 供了有利条件     

仿人假手柔性食指机构研究

针对仿人假手抓取物体欠柔性问题,从提高假手操作灵活性、手指柔性角度,设计欠驱动多自由度柔性食指机构,并进行手指运动学分析和工作空间分析.研究建立了食指机构的简化模型,假手的食指由一个独立的电机带动,采用钢丝绳合并连杆机构驱动,并基于运动学分析了食指机构.结果表明:在选取适当手指机构尺寸及各关节的转角范围后,获得了指端的工作空间及相对于手掌的位置;手指关节内加入扭簧,抓取物体时,假手表现出良好的柔性和形状自适应性.     

多自由度仿人型假手设计

为了突破目前假手功能的局限,提高使用者的认可程度,设计了集成化的多自由度假手.它的手指设计采用了两种四连杆机构,基关节和中关节之间采用欠驱动连杆传动,能进行自适应抓取;中关节和远关节之间采用耦合连杆传动.手里有三个驱动电机,食指、拇指分别由一个电机驱动,其他三个手指由一个电机驱动.手指上安装了位置和力矩传感器.控制系统由两个DSP控制板组成,不仅实现了基于两路肌电信号的假手动作识别,并且可以进行手指的位置和力矩控制.抓取实验显示这个假手具有很高的抓取能力和灵巧性.     

欠驱动自适应式捕获装置设计

空间捕获作业是在轨服务的重要组成部分,采用全驱动关节式机械臂进行空间捕获存在结构复杂、质量大等问题。本文针对空间捕获作业的设计要求,提出一种具有折展和抓取功能的欠驱动自适应式空间捕获装置。该装置采用行星传动实现1个驱动源驱动2个关节的转动,该装置包括三个3自由度的欠驱动机械手指,采用4个电机驱动9个关节运动,且对被捕获对象具有自适应能力。介绍了捕获手抓的设计方案、工作原理,建立捕获装置单指的坐标系,对捕获装置进行了运动学分析。最后通过样机捕获实验,验证了该装置能够实现不同外形尺寸目标的自适应捕获。     

考虑脚掌转动的跳跃机器人动力学与轨迹规划

针对目前腿式跳跃机器人模型的局限性,考虑脚掌在跳跃过程中的作用,设计了一种由电机驱动的欠驱动双关节弹跳机器人.在起跳相和落地相,脚掌与地面的关系建模成弹簧-阻尼系统,由于脚掌的转动,在足尖处存在一个被动的自由度,系统产生了欠驱动.采用广义坐标,建立了机器人拉格朗日动力学模型,确定了跳跃运动的约束条件.基于跳跃机器人等价...     

混合驱动二自由度并联机构的动力学优化设计

基于Kane方法对混合驱动二自由度五杆机构建立了动力学方程,在此基础上进行了动力学逆问题的分析,探讨了影响主驱动功率和辅助驱动功率的因素.实现一组椭圆轨迹为实例,以混合驱动二自由度五杆机构辅助运动最大瞬时的驱动功率最小优化目标函数,无条件双曲柄的杆长条件约束条件,采用遗传算法进行了动力学优化设计,得到了主驱动功率与辅助驱动功率之间的最佳匹配关系.为实现混合驱动二自由度并联机构综合性能最优以及系统的最优控制了基础.     

欠驱动异构式下肢康复机器人动力学分析及参数优化

针对现有外骨骼机器人人机自由度不匹配和关节对中性差的问题,提出欠驱动下肢康复机器人. 欠驱动机器人只有4个直线驱动,驱动的直线运动通过推杆和人机连接机构转化为人下肢在矢状面内的屈伸运动,带动人体进行步态康复训练. 建立机器人系统的人机耦合模型,进行模型的动力学分析,对人机耦合模型中影响动力学结果的参数进行分析,建立驱动力与肢体推动力之间的关系模型,并以推力系数最大为目标进行参数分析与优化,得到最佳的结构参数. 根据优化后的结构参数搭建康复机器人实验系统,对髋、膝关节驱动力与角度进行对比. 实验结果表明最大髋关节角度误差为2.9°,最大膝关节角度误差为6.4°,最大误差均约为9%,验证了动力学模型和参数优化结果的正确性.     

基于中心流形理论的欠驱动航天器姿态控制

考虑一类欠驱动航天器的执行机构为喷气推力器,根据航天器姿态动力学理论,建立欠驱动航天器姿态动力学方程。对于仅有两个反作用飞轮的零动量姿态控制系统设计了不连续的状态反馈控制器。基于给出的欠驱动航天器姿态动力学方程,设计控制律,利用中心流形方法判别驱动航天器系统在临界情形下的稳定性,得出欠驱动航天器姿态达到稳定状态的稳定性控制参数条件。数值仿真验证了所设计控制律的有效性。     

欠驱动四旋翼无人飞行器的滑模控制

针对六自由度欠驱动四旋翼无人飞行器(Quadrotor UAV)受控模型的复杂非线性问题,提出了一种系统简化方法,并基于简化后的模型设计了滑模控制器,实现了对复杂模型的非线性控制.首先,对Quadrotor UAV模型进行简化处理,从而可将系统解耦为完整驱动部分和欠驱动部分;进而,通过定义一个广义滑动流形实现欠驱动部分的滑模控制器设计;最后,利用Lyapunov理论证明了系统欠驱动部分的稳定性.仿真分析表明,本文提出的控制方法能够有效实现Quadrotor UAV的控制,且与经典PID控制方法相比,具有对外界扰动更强的鲁棒性.     

An Improved Dynamic Friction Rejection Attitude Stability Control Strategy

一种改进的动摩擦姿态稳定控制策略

王永海,孟刚,李建林,水涌涛,卢宝刚

（北京航天长征飞行器研究所,中国航天科技集团公司,北京100076）

创新点说明：

1）结合基于四元数的反馈控制律和扩张状态观测器对动摩擦力影响进行抑制;

2）当欠驱动轴存在非零初始状态量时,应用基于磁力矩的控制策略实现姿态稳定。

研究目的：

研究带有两个反作用飞轮的欠驱动航天器在动态摩擦扰动影响下的高精度姿态稳定控制。

研究方法：

采用理论分析法与仿真验证法相结合。理论推导所得控制器的稳定性通过李雅普诺夫函数进行了严格证明。方法的优越性以及在实际问题中的适用性通过matlab数学仿真分析进行验证。

研究结果：

本文提出的控制方法相比传统方法具有更好的稳态收敛精度以及更强的动摩擦补偿能力。

结论：

本文提出的控制策略相比传统方法在收敛精度与控制鲁棒性方面有很大的提升。能有效补偿动摩擦以及外部扰动产生的影响。

关键词：纳卫星;动摩擦;奇异控制;线性扩张状态观测器;磁力矩器。

     

一种欠驱动平面双足机器人变速控制策略

针对欠驱动平面双足机器人的行走速度控制难题,提出一种新的变速行走控制策略.该控制策略有两层结构,上层采用一种模糊融合的思路,根据给定速度产生参考步态,即由能稳定行走的已设计步态模糊融合出参考步态,再由PI控制器对参数进行平滑|底层由基于虚拟约束的反馈线性化方法实现轨迹跟踪,同时解决行走中的欠驱动问题,达到连续稳定变速的目的.仿真结果表明：与其他变速策略想比,该控制策略能在变速的同时改变步长,而且有更好的控制效果,也能很好地实现变速的连续性.     

基于样条逼近与曲线拟合的欠驱动仿生机器人运动规划

研究欠驱动六足仿生机器人简化模型（RRRobot）运动规划问题。根据RRRobot动力学模型,以能量损耗最小为目标,提出将曲线拟合和样条逼近技术与粒子群优化方法结合的算法,对RRRobot运动规划进行优化。仿真实验结果表明,所提出的算法对解决运动规划的优化问题是有效的,对RRRobot模型终端位形的误差有明显的改善作用。     

基于能量和角度不变相结合的双足机器人控制

为了提高欠驱动双足行走机器人被动行走步态的稳定性,扩大极限环收敛域及增强对干扰的抑制力,提出了一种角度不变和能量控制相结合的方法.通过角度不变控制使机器在不同倾斜角度的地面产生稳定步态;通过能量控制方法扩大机器人行走步态极限环的收敛域,并采用一个可调整的非线性函数在线调整能量控制器的增益.通过仿真曲线分析总结了当斜坡角度变化时极限环、步态曲线和能量曲线的变化规律.仿真结果表明,该方法既能扩大极限环的收敛域,又能增加系统对地面斜坡变化的鲁棒性.     

前轮驱动自行车机器人定车运动的建模与实现

针对前轮驱动自行车机器人原地难以实现定车问题,提出一种简化的力学模型,并研究其部分反馈线性化控制策略.首先,考虑车轮纯滚动条件及定车时车把和车架垂直的特点,推导出前轮驱动角速度和车架航向角速率间的约束关系,并利用拉格朗日方程建立系统的动力学模型.然后,将系统欠驱动的车架横滚角线性化,并选择全部自由度为输出,根据部分反馈线性化原理设计定车运动控制器.仿真控制结果表明,适当地选取控制参数,系统可以在输入驱动力矩不大的情况下快速实现±10°范围内定车.物理样机实验进一步证明,利用所设计的控制器,前轮驱动自行车机器人可仅依靠前轮驱动实现小角度范围的原地定车运动.     

考虑装配条件的C/C复合材料指尖密封动态性能Symbol`@@

针对航空发动机装配条件影响指尖密封性能的问题,构建考虑装配条件的C/C复合材料指尖密封动态性能分析方法. 根据指尖密封与转子间的力学行为构建多层叠置指尖密封的分布质量等效动力学模型;确定模型中等效质量、等效结构刚度系数、接触刚度系数、摩擦阻力以及转子激励等参数;借助等效动力学模型计算泄漏率和指尖梁/转子接触压力等指尖密封的动态性能. 计算结果表明：依间隙配合、无间隙配合和过盈配合条件的顺序,指尖梁位移响应和指尖梁与转子之间的泄漏间隙均会随之降低,但其接触压力会随之增大,体现出指尖密封泄漏和磨损的“矛盾”性. 在确定的装配条件下,可以通过结构设计改变指尖梁的结构刚度,以使指尖密封泄漏和磨损性能均达到最优.     

残疾人用Partial Finger机构研究

为了解决手指基指节截断患者无法安装功能型假肢的问题,研制了残疾人用Partial Finger.先分析了手指基指节截断患者的手部结构特点,基于被动驱动原理设计了Partial Finger的机械本体.基于拟人化的思想研究了手指的关节运动规律,设计以近似等比例传动的杆件参数.进行了运动学分析及样机性能实验.Partial Finger样机外形比成年人小指略小,采用残存基指节驱动,具有侧摆和张合两个自由度,手指关节以近似定传动比传动.实验结果表明:Partial Finger可单手安装和拆卸,指尖最大出力10.7N,外形和运动状态与人手指相似,疲劳实验5万次以上未出现问题,配合其他手指可完成近95%的手部功能.     

高热稳定性多发射极功率SiGe HBT的研制

成功研制出具有非均匀发射极条间距结构的多发射极功率SiGe 异质结双极晶体管（HBT）,用以改善功率器件热稳定性。实验结果表明,在相同的工作条件下,与传统的均匀发射极条间距结构HBT相比,非均匀发射极条间距结构HBT的峰值结温降低了15.87K。对于同一个非均匀发射极条间距结构SiGe HBT,在不同偏置条件下均能显著改善有源区温度分布。随着偏置电流IC的增加,非均匀发射极条间距结构SiGe HBT改善峰值结温的能力更为明显。由于峰值结温的降低以及有源区温度分布非均匀性的改善,非均匀发射极条间距功率SiGe HBT可以工作在更高的偏置条件下,具有更高的功率处理能力。     

指端微循环容积脉搏血流模型的建立及模型参数的辨识

指端容积血流脉搏波中包含着丰富的血液循环系统的生理信息,为了研究指端容积血流脉搏波,本文在桡动脉和指脉之间建立了一个指端容积脉膊血流模型,并运用最小二乘法对指端容积脉膊血流模型的参数进行了辨识.