摇臂式月球车协调牵引控制方法研究

通过分析轮-地接触模型以及摇臂式月球车静力学模型,获得了车轮静态负载的计算方法;作为冗余自由度机器人,利用车轮静态负载以及驱动力矩与速度之间对偶关系,完成了月球车的力矩分配,实现了冗余驱动系统的动力学优化;结合力矩分配并基于月球车动力学模型,讨论协调牵引控制方法,实现了月球车速度跟踪控制;在三维动力学仿真平台上,对该牵引方法进行了性能评价,证实其控制效果优于传统方法.     

冗余驱动并联机械手的混合位置/力自适应控制

针对冗余驱动并联机构研究一种自适应的混合位置/力控制算法.基于并联机构中约束 子流形的几何性质,将冗余驱动并联机构的逆动力学自然投影到位形空间和约束力空间.基于投 影方程,提出一种统一的具有渐进稳定性的自适应混合位置/力控制算法.采用最小二范数准则 求解冗余解问题,实现了实际驱动关节力矩的优化.仿真结果验证了控制方法的有效性.     

基于止血机制的冗余并联机器人精准容错控制

冗余并联机器人具有冗余容错能力,能在局部故障的情况下继续工作.而设备的机械间隙无法完全避免,并且较难建立精准的机械间隙模型,因此基于运动学冗余的常规容错方法较难实现精准容错控制.基于生理止血调控机制,考虑冗余并联机器人控制特性和机械间隙因素,提出一种新颖的精准容错控制器.与止血机制类似,该控制器不但能够进行子通道误差优化,而且能进行全局故障辨识和容错补偿.利用2-DOF冗余并联机器人进行了真实实验.结果表明,提出的精准容错控制器的控制精度和容错能力均比传统控制器有较大提高.     

空间机器人捕获非合作目标后的消旋策略及阻抗控制

针对空间机器人捕获自旋目标卫星后的消旋与稳定操作提出了一种阻抗控制方法．首先,基于正序链和逆序链方法推导出空间机器人系统在操作空间中的动力学方程．然后,基于归一化时间设计了目标卫星的快速消旋策略,最优消旋时间由末端执行器的约束条件决定．最后,基于所推导操作空间下的动力学方程,提出了一种消除目标旋转运动并同时稳定基座的阻抗控制方法．在利用7自由度冗余机械臂消除自旋卫星并稳定其基座的案例中给出了仿真结果,验证了所提方法的性能及有效性．     

含被动高副的冗余驱动并联机器人优化设计

针对具有平移和旋转混合自由度的冗余驱动并联机器人,提出一种优化设计方法.首先,介绍了仿人类口颌设计的并联机器人,由6-PUS(prismatic-universal-spherical)并联机构模拟6条主要咀嚼肌,2个被动高副模拟下颌关节.针对机构含被动高副的特点,利用末端执行器上的3点描述位姿,建立其量纲一致的雅可比矩阵.基于机器人结构和尺寸对速度误差传递性能的影响的分析,给出了该冗余驱动并联机器人的优化方法.设置性能参数对该冗余驱动并联机器人进行了尺寸优化设计,与优化前机器人机构相比全局误差标准差下降了39.83％.结果表明所提出的优化设计方法提高了并联机构的速度传递性能,并可以扩展用于其他机器人的优化设计.     

咀嚼机器人运循环规划及驱动力优化分配方法

为了实现面向牙科患者的个性化成品义齿性能测试,基于6PUS-2HKP空间冗余驱动并联仿生咀嚼机器人,设计了可安装牙模的仿生上颌、下颌结构.针对义齿性能测试对高仿生咀嚼运动的要求,提出了一种基于颞下颌关节(TMJ)运动理论的后牙运循环参数化仿生规划方法.利用拉格朗日方程和虚功原理,推导了冗余驱动咀嚼机器人的动力学方程.分别以颞下颌关节内力2范数最小和驱动力2范数最小为优化目标,建立了基于遗传算法的冗余驱动咀嚼机器人驱动力优化分配数学模型.将食品质构仪获取的仿真食物力-变形关系曲线加载到机器人磨牙上完成了运循环下咀嚼仿真食物实验.结果表明,咀嚼机器人切牙运动轨迹形状、切牙运动速度变化规律、髁突运动形式等均与人类咀嚼运动一致,空载和加载仿真食物两种条件下均可求得合理的驱动力优化分配结果.同时,以仿真实验得到的6组驱动为输入,采用咀嚼机器人样机进行了运循环实验.样机实验和咀嚼仿真食物实验证明了运循环规划方法的仿生性和驱动力优化分配方法的可行性.     

无机械辅助结构自行车机器人控制仿真及实现

为实现自行车机器人的平稳直线行驶,论证了无机械辅助结构、仅靠调整车把维持自平衡的后驱自行车机器人动力学建模、姿态控制、系统仿真及实物样机实验.针对具有典型对称性欠驱动非完整约束的自行车机器人系统难于实现平衡控制问题,首先基于拉格朗日方法分析系统力学机理,建立简化动力学模型.然后基于部分反馈线性化原理,对车体横滚角与转把力矩的欠驱动子系统进行线性化处理及模糊自适应控制.仿真及实验结果表明,有效地实现了自行车机器人直线运动自平衡控制,为进一步开展自行车机器人以及其他欠驱动系统平衡运动控制奠定理论基础.     

新型工业机器人结构设计及其全域刚度预估方法

设计了一种新型5自由度无间隙传动工业机器人结构,机器人机械臂采用平行四边形框架及电动缸对角驱动的桁架式结构,有利于提升机器人的综合刚度．腰部和腕部采用双电机驱动主从消隙控制消除传动间隙,臂部电动缸的滚珠丝杠副通过双丝母预紧消除反向间隙,实现机器人无间隙传动．根据机器人外部载荷和基于能量法计算的机器人末端变形建立机器人全域工作空间刚度预估模型,通过机器人的整机刚度有限元仿真结果及原理样机的实验结果验证了刚度预估模型的有效性．最后,分析了机器人的刚度分布特性并与Fanuc S900iB/400工业机器人进行了刚度比较,结果表明了本文机器人结构的刚性优势．     

基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法

设计了一种基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法.在机器人与人体上肢接触面安装力传感器采集人机交互力矩信息作为量化的主动运动意图,设计了一种无模型自适应滤波算法使交互力矩变得平滑而连贯;以人机交互力矩为输入,综合考虑机器人末端点与参考轨迹的相对位置和补偿力的信息,设计了人机交互阻抗控制器,用于调节各关节的给定目标速度;设计了将无模型自适应与离散滑模趋近律相结合的速度控制器完成机器人各关节对目标速度的跟踪.仿真结果表明,该控制方法可以实现外骨骼式上肢康复机器人辅助患者完成主动交互训练的功能.通过调节人机交互阻抗控制器的相应参数,机器人可以按照患者的运动意图完成不同的主动交互训练任务,并在运动出现偏差时予以矫正.控制器在设计实现过程中不要求复杂准确的动力学建模和参数识别,并有一定的抗干扰性和通用性.     

一种三自由度冗余驱动并联机器人控制研究

并联机器人具有无摩擦无间隙、响应快、结构紧凑、刚性好、误差积累小等特点,但其在几何特性方面也存在很多缺点,如运动范围小、灵活性差以及工作空间内存在奇异位形等,加入冗余度可以改善它的几何特性。由于冗余驱动并联机器人在工作空间、灵活性、避障能力及动力特性等方面具有优点,因而受到了越来越多的重视,本文提出一种三自由度的冗余驱动并联机器人控制研究方法,主要从冗余并联机器人的运动学模型、工作空间、MATLAB仿真及其控制程序开发等主要方面进行了深入细致的研究。     

考虑输出约束的冗余驱动绳索并联机器人预设性能控制

提出一种考虑输出约束的冗余驱动绳索并联机器人(Redundantly-actuated cable driving parallel robots, RCDPRs)预设性能有限时间控制算法. 首先, 采用Newton-Euler方程推导系统动力学模型, 并建立绳索拉力优化模型保证系统正常工作; 其次, 将输出约束问题转化为位置跟踪误差的坐标变换问题, 设计给定时间衰减函数与非对称变换函数, 将约束形式的跟踪误差转化为无约束变量, 实现给定时间的输出约束; 然后, 针对滑模控制的抖振问题, 在预设性能控制中采用模型不确定与扰动估计器进行扰动估计, 并通过自适应方法对扰动估计误差进行补偿; 以此为基础, 提出一种基于精度驱动且在分段点处三阶连续的终端滑模面进行控制算法设计; 最后, 采用Lyapunov函数证明算法的有限时间收敛特性, 并以7自由度冗余驱动绳索并联机器人为控制对象进行仿真研究, 对算法进行验证.     

一种独轮机器人的滑模控制

针对一种由一个车轮驱动并控制前向平衡、并由电机驱动惯性轮形成反力矩来控制侧向平衡的独轮机器人系统,提出了一种分组分层滑模变结构控制方法.该方法根据机器人动力学模型特点,将系统看作两个单输入系统组合,并分别针对每个单输入系统设计分层滑模控制器,从而实现机器人的运动平衡控制.从理论上证明了各层滑动平面的渐近稳定性,并通过仿...     

一种混合驱动柔索并联仿生眼的轨迹规划

在与眼球运动相关的解剖学和运动学的基础上,设计了一种符合Listing定理的基于混合驱动柔索并联机构的3自由度机器人仿生眼.通过矢量封闭方法建立了逆运动学模型,求解出柔索并联机器人的雅可比矩阵和结构矩阵.利用达朗贝尔定理建立柔索并联机器人的力矩平衡方程组,采用广义逆矩阵的相关理论,以柔索张力矢量的2范数最小为目标进行张力优化.用蒙特卡洛方法计算出仿生眼球可达工作空间.最后,在Simulink环境下进行仿真,规划运动轨迹并得到柔索并联机器人运动特性的仿真结果,证明了本文设计的机构符合Listing定理.结果表明:基于混合驱动柔索并联机构的机器人仿生眼结构合理,数学模型正确.     

欠驱动冗余度空间机器人优化控制

欠驱动控制是空间技术中容错技术的重要方面.本文研究了被动关节中有制动器的欠驱动冗余度空间机器人系统的运动优化控制问题.从系统动力学方程出发,分析了欠驱动冗余度空间机器人的优化能力和控制方法;给出了主、被动关节间的耦合度指标;提出了欠驱动冗余度空间机器人系统的“虚拟模型引导控制”方法,在这种方法中采用与欠驱动机器人机构等价的全驱动机器人作为模型来规划机器人的运动,使欠驱动系统在关节空间中逼近给出的规划轨迹,实现了机器人末端运动的连续轨迹运动优化控制;通过末关节为被动关节的平面三连杆机器人进行了仿真,仿真的结果证明了提出算法的有效性.     

绳驱动柔性上肢外骨骼机器人设计与控制

为了提高上肢外骨骼机器人的拟人化程度及关节柔性,设计了一种由串联弹性驱动器和鲍登线驱动的4自由度柔性上肢外骨骼机器人.首先,设计一种六连杆双平行四边形机构,建立肩关节虚拟转动中心,满足人体肩部3自由度运动需求.然后,设计基于串联弹性驱动器和鲍登线的驱动模块,将驱动器和机器人关节分离,降低结构的复杂度,减轻关节质量,实现力矩/位置信息的反馈.最后,构建机器人运动学及动力学模型,设计关节阻抗控制器并对样机肘关节进行阻抗控制实验.由实验结果可知,刚度系数在0.5 N·m/(°)～1.5 N·m/(°)时,力矩跟踪均方根为0.33 N·m;阻尼系数在0.001 N·m·s/(°)～0.01 N·m·s/(°)时,力矩跟踪均方根为0.57 N·m.实验结果表明,调节阻抗控制器中的阻抗系数能够改变关节的刚度和阻尼特性,从而提高人机连接的柔顺性.因此该机器人可以满足康复训练需求.     

一种基于模糊控制理论的独轮机器人控制算法

以一种由一个车轮驱动并控制前向平衡、由电机驱动惯性轮形成反力矩控制侧向平衡的独轮机器人系统为被控对象,建立系统动力学模型,并将其在平衡点线性化,得到系统在前向和侧向两个正交方向解耦的近似线性模型.然后针对每一个控制方向上的子系统,分别设计基于融合函数的模糊控制器.该方法可以减少模糊规则,防止规则爆炸.仿真实验表明,所设计的模糊控制器可有效地实现独轮机器人的运动平衡控制.     

仿蛙跳跃机器人起跳任务规划与控制

研究跳跃机器人起跑规划问题,针对仿蛙跳跃机器人在起跳过程中脚掌与地面之间形成的欠驱动约束和特定的起跳任务,为提高系统性能,提出了一种在任务空间内实现给定起跳任务要求的路径运动规划控制.利用部分反馈线性化(PFL)将仿蛙跳跃机器人系统起跳动力学方程中的非线性部分线性化,设计了滑模变结构控制器对仿蛙跳跃机器人在起跳阶段的质心轨迹进行跟踪控制.结果表明滑模控制器能够使质心轨迹精确地跟踪给定轨迹,解决了仿蛙跳跃机器人的起跳任务优化控制问题,验证了提出的任务空间控制方法用于仿蛙跳跃机器人起跳任务规划的可行性.     

机器人捕捉运动目标的动力学视觉伺服方法

提出一种机器人捕捉运动目标的动力学视觉伺服方法。基于位置阻抗控制器,通过双目立体视觉检测并跟踪运动目标的位置,结合CMAC网络,采用以视觉阻抗的二次型为训练目标的学习型视觉阻抗控制器,用于克服控制器对系统结构参数变化适应性差的缺点,并对阻抗参数进行优化。实验结果表明,该视觉伺服方法在机器人捕捉运动目标时具有良好的动力学特性和轨迹控制效果。     

面向离散地形的欠驱动双足机器人平衡控制方法

欠驱动双足机器人在行走中为保持自身的平衡, 双脚需要不间断运动. 但在仅有特定立足点的离散地形上很难实现调整后的落脚点, 从而导致欠驱动双足机器人在复杂环境中的适应能力下降. 提出了基于虚拟约束(Virtual constraint, VC)的变步长调节与控制方法, 根据欠驱动双足机器人当前状态与参考落脚点设计了非时变尺度缩放因子, 能够实时重构适应当前环境的步态轨迹; 同时构建了全身动力学模型, 采用反馈线性化的模型预测控制 (Model predictive control, MPC) 滚动优化产生力矩控制量, 实现准确的轨迹跟踪控制. 最终进行了欠驱动双足机器人的随机离散地形稳定行走的仿真实验, 验证了所提方法的有效性与鲁棒性.     

高速运动下并联机器人主动支链的动力学耦合特性

为研究并联机器人主动支链间在关节空间内的动力学耦合特性,首先,建立了一般并联机器人基于关节空间的动力学模型,进行了动力学耦合力矩分析,定义了动力学耦合强度系数,该系数适用于一般并联机器人动力学耦合特性描述,且具有统一标度.然后,以一种2(3HUS+S)并联机器人为例,基于动力学耦合强度系数进行了动力学耦合特性分析,得到了动力学耦合特性在所需运动轨迹内的变化规律,并设计实验测得了主动支链的实际耦合力矩,通过对比分析验证了理论研究的正确性.最后,针对2(3HUS+S)并联机器人,得到了其动力学耦合特性随结构参数的变化规律,通过适当减小连接杆长度及动平台半径与底面基座半径的比值,可在一定程度上降低主动支链间的动力学耦合程度.