2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制策略与试验研究

针对同时具有被动关节和柔性杆的欠驱动平面机械臂,提出一种简单易行的分段位置控制策略。以2R欠驱动平面柔性机械臂为研究对象,建立机械臂的假设模态动力学模型,分析系统的动力学耦合特性与可控性。通过被动关节处制动器的开闭切换,研究平面柔性机械臂的分段位置控制策略,采用PID方法分别设计各阶段主动、被动关节的控制算法。最后,基于自行开发的欠驱动平面机械臂的试验平台及实时控制系统,完成了2R欠驱动平面柔性机械臂位置控制的试验研究。仿真和试验结果表明,主动关节和被动关节在各阶段都能很好地跟踪目标值,进而实现机械臂的操作任务,验证了所提控制方法的可行性和有效性,以及欠驱动柔性机械臂动力学模型的正确性。     

直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台视觉精密定位

提出一种直线超声电动机驱动的平面3-PRR并联平台,研究并联平台视觉精密定位技术。给出并联平台结构并采用矢量链法得到并联平台运动学模型。针对并联平台动平台位姿测量问题,利用视觉系统作为反馈单元,通过图像处理技术对动平台上的人工特征中心定位,实现对动平台位姿精确测量;针对传统PID关节控制器在实际控制中问题,采用基于扰动观测器的并联平台支链控制器模型。试验结果表明：对于目标位置为(20 mm,20 mm),并联平台半闭环控制精度约为±500 µm,而通过视觉定位精度达到±5 µm。视觉定位较半闭环控制大幅提高了并联平台定位精度,能够满足并联平台大行程、高精度定位的需求。     

基于自运动的7-DOF机械臂逆运动学研究

针对一种7自由度典型机械臂构型的逆运动学问题,根据机构特点和自运动性质提出一种解析算法。首先对该冗余机械臂的自运动性质进行分析,其为平面四杆运动。采用冗余角对自运动进行描述,并分析机械臂末端位置和杆长对自运动的运动形式和冗余角变化范围的影响。然后基于自运动特性,将冗余角作为一个约束条件,结合位姿分离法,求出该机械臂的逆运动学解析算法。最后通过数值算例进行验证。该方法针对某一特定位姿求出所有的理论逆解。相对于传统的数值解法,该方法不存在理论误差,相邻位姿点相互独立,不存在误差积累。     

欠驱动余度机械臂的无碰撞运动规划与控制

基于周期运动的非线性动力学分析,发现欠驱动机械臀在小幅振动输入条件下有运动漂移现象,即当欠驱动机械臂的主动关节小幅振动时,被动关节的平衡位置将发生漂移。基于这一现象提出了被动关节位置控制的余弦函数小振幅控制方法:把人工势场方法引入冗余度机械臂的避障运动规划,提出了欠驱动冗余度机械臂的虚拟模型运动规划方法:把以上两种方法有机结合,提出了一种欠驱动冗余度机械臂的避障运动规划和控制方案,对平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果表明这一方法是可行的。     

基于加速度反馈的平面3-RRR柔性并联机器人自激振动控制

平面3-RRR柔性并联机器人在精密定位、物料搬运、宏微结合等领域有着广泛应用,其在运行到某些区域时容易产生自激振动,这极大地影响了系统的精度和稳定性。为了有效抑制并联机器人的自激振动,在并联机器人试验平台上搭建了振动加速度测量系统,利用加速度传感器和伺服电动机实现闭环反馈以及自激振动主动控制。对平面3-RRR柔性并联机器人特定奇异位置自激振动的机理进行分析,考虑加速度信号滤波以及信号传输和处理等因素引起的相位滞后,采用移相技术,给出了基于加速度反馈的控制算法,对平面3-RRR柔性并联机器人的自激振动进行了主动控制试验研究。理论和试验结果表明：提出的基于加速度反馈的主动控制方法能够在奇异位置处有效抑制并联机器人的自激振动。     

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.     

基于弦方法的平面并联操作手工作空间分析

采用一种工作空间边界求解的新方法——弦方法对平面并联操作手工作空间的综合问题进行了研究。首先给出了弦方法的基本原理和求解步骤。在平面并联操作手运动学分析的基础上,利用弦方法易于加入约束条件的特点,以机构的灵巧性指标为约束,采用约束跳步优化搜索算法得到具有良好运动学特性的工作空间边界。最后给出了几个具体的设计算例。     

五自由度电液伺服机械手运动控制系统研制

针对电液液伺服机械手在实际应用过程中存在运动精度低、运动平稳性差,控制模型存在非线性的问题,利用电液液伺服机械手具有负载能力强,能量密度大的优势,对机械手运动控制系统进行了研制。首先采用闭链矢量法对TCP进行了准确的位置矢量表示;其次,引入5阶B样条插值方法和改进型粒子群优化算法,得到了连续的TCP空间位移轨迹,实现了TCP位置的最优轨迹规划;最后,引入常规PID,IL-PID,NDI等控制策略,采用分级控制管理方案,实现了机械手各关节的运动控制,并利用5自由度电液伺服机械手进行了仿真和实际实验。研究结果表明:该运动控制系统能够准确地控制机械手在高负载,高精度要求下进行规定运动。     

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。     

基于奇异摄动法组合控制柔性机械手臂的研究

在柔性机械臂的控制研究中,实现定位目标的同时必须快速消除柔性振动。基于奇异摄动法和双时标分解,提出了一种混合控制方法。柔性机械臂的模型可分解为两个子系统：慢时标子系统和快时标子系统,快时标子系统采用模糊控制,慢时标子系统采用速度反馈控制,并验证了该方法的控制性能。     

基于多自由度气动机械手位置伺服系统稳定性控制研究

基于传统易碎薄板机械手位置伺服控制系统稳定性低、自动化分拣效率低等不足,设计了一种基于笛卡尔坐标式的气动码垛机器手和位置伺服稳定性控制系统。首先,设计并介绍笛卡尔坐标式码垛机械手的基本组成结构,对机械手末端吸盘气动回路控制系统进行设计和分析;然后分别对机械手X、Y、Z三个方向的伺服电机控制原理进行分析并设计了一种位置伺服系统的前馈自适应控制算法;最后,将传统位置闭环PID算法和前馈自适应控制算法进行位置跟踪稳定性对比试验。实验结果表明该笛卡尔坐标式的气动码垛机器手和位置伺服稳定性控制系统设计合理,满足实际生产要求。     

On position/force tracking control problem of cooperative robot manipulators using adaptive fuzzy backstepping approach

In this paper, the position and force tracking control problem of cooperative robot manipulator system handling a common rigid object with unknown dynamical models and unknown external disturbances is investigated. The universal approximation properties of fuzzy logic systems are employed to estimate the unknown system dynamics. On the other hand, by defining new state variables based on the integral and differential of position and orientation errors of the grasped object, the error system of coordinated robot manipulators is constructed. Subsequently by defining the appropriate change of coordinates and using the backstepping design strategy, an adaptive fuzzy backstepping position tracking control scheme is proposed for multi-robot manipulator systems. By utilizing the properties of internal forces, extra terms are also added to the control signals to consider the force tracking problem. Moreover, it is shown that the proposed adaptive fuzzy backstepping position/force control approach ensures all the signals of the closed loop system uniformly ultimately bounded and tracking errors of both positions and forces can converge to small desired values by proper selection of the design parameters. Finally, the theoretic achievements are tested on the two three-link planar robot manipulators cooperatively handling a common object to illustrate the effectiveness of the proposed approach.     

基于光反馈柔性气动手爪设计与研究

针对传统柔性气动手爪分层制作导致的易损及无闭环反馈等问题,通过低温石蜡与3D打印技术,设计并制作了重量仅为15 g的一体式、低成本柔性手爪,提高了柔性手爪的耐压性能及使用寿命。通过采用光感知反馈算法,实现了柔性手爪的闭环反馈控制,并对不同物品进行了抓取试验。结果表明:建立的光强-弯曲数学模型,不仅具有较高的位置控制精度,同时可对目标物进行准确的尺寸识别,不同尺寸下识别误差率为2%~6.7%,为柔性手爪的低成本闭环反馈控制方式提供了新思路。     

Kinematics of a star-triangle planar parallel manipulator

This paper addresses kinematics of a 3 degree-of-freedom (DOF) planar parallel manipulator called Star-Triangle manipulator. The manipulator has good accuracy and a relatively large singularity-free workspace. First, position analysis of the manipulator is implemented indicating that both the inverse and forward position problems of the manipulator have only one solution. Then, velocity and singularity analyses of the manipulator are carried out and its isotropic configurations are identified using two Jacobian matrices. Based on the isotropic conditions, the workspace of manipulator is determined geometrically and it is shown that all points in the workspace are free of singularities. At last, kinematic accuracy of the manipulator is investigated on the workspace through a kinematic conditioning index (KCI).     

冗余度机械臂全局容错运动规划新算法

针对冗余度机械臂发生锁死故障提出一种新的算法 ,在一维寻优结果的基础上 ,快速准确地寻找到二维平面的最优位置 ;同时对三种不同意义的起始位置故障时刻的性能进行了比较。最后用平面 3R冗余度机械臂进行了计算仿真。     

Dynamic simulation and choice of generalized coordinates for a free-floating closed-chain planar manipulator

Free-floating manipulators are inherently different from fixed-base planar manipulators due to conservation of linear and angular momentum. In this paper, we present simulation studies of a free-floating closed-chain planar manipulator. A fundamental question which an analyst is faced with during dynamic simulation of closed-chain mechanisms is how to choose the generalized coordinates during simulation. The independence of coordinates is dependent on the instantaneous properties of the governing constraints. For free-floating manipulators, this question becomes even more difficult due to the presence of constraints of momentum conservation. The objectives of this paper are to: (a) present a modular algorithm to build a rigid-body dynamic model of a free-floating closed-chain planar manipulator such that the instantaneous properties of the constraints can be easily studied; and (b) examine the momentum and closure constraints to build an algorithm for selection and switching of the generalized coordinates during simulation. In this algorithm, the free-floating manipulator is broken into component subsystems and the equation of constraint on these subsystems. This algorithm clearly describes the instantaneous properties of the constraints during the motion of the mechanism and helps in the selection of the generalized coordinates. The simulation results with this dynamic model and the algorithm for switching of coordinates are presented.     

带有应变反馈的柔性机械臂开关变结构控制的实验研究

为实时,有效地抑制柔性机械臂的残余振动,提高春定位精度,提出了柔性机械臂的开关变结构控制,并进行了实验研究,将柔性机械臂的运动分成两个阶段：第一阶段使其在控制力矩作用下做大角度刚体运动;第二阶段当柔性机械臂的运动临近终止状态时,通过逻辑开关,将柔性梁应变反馈量接通,以产生控制力矩,实现残余振动抑制,与传统的PID控制和带有应变反馈的全闭环反馈控制的比较结果显示,开关变结构控制能够有效,实时地抑制柔性残余振动。     

Trajectory Tracking of a Planer Parallel Manipulator by Using Computed Force Control Method

Despite small workspace, parallel manipulators have some advantages over their serial counterparts in terms of higher speed, acceleration, rigidity, accuracy,manufacturing cost and payload. Accordingly, this type of manipulators can be used in many applications such as in high-speed machine tools, tuning machine for feeding,sensitive cutting, assembly and packaging. This paper presents a special type of planar parallel manipulator with three degrees of freedom. It is constructed as a variable geometry truss generally known planar Stewart platform.The reachable and orientation workspaces are obtained for this manipulator. The inverse kinematic analysis is solved for the trajectory tracking according to the redundancy and joint limit avoidance. Then, the dynamics model of the manipulator is established by using Virtual Work method.The simulations are performed to follow the given planar trajectories by using the dynamic equations of the variable geometry truss manipulator and computed force control method. In computed force control method, the feedback gain matrices for PD control are tuned with fixed matrices by trail end error and variable ones by means of optimization with genetic algorithm.     

带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制的实验研究

为有效地抑制柔性机械臂的残余振动 ,提高其定位精度 ,本文提出了带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制 ,并进行了一系列系统的实验研究。首先将柔性机械臂的运动分成两个阶段 :第一阶段使其在控制力矩作用下做大角度刚体运动 ;第二阶段当柔性机械臂的运动临近终止状态时 ,通过逻辑开关 ,将柔性机械臂末端加速度反馈量接通 ,以产生抑制弹性振动的控制力矩 τ′0 ,实现终点定位的残余振动控制。然后进行了一系列的实验研究包括与传统的 PID控制和带有加速度反馈的全闭环反馈控制的比较 ,结果显示带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制能够实时、有效地抑制柔性臂的残余振动     

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。