弹性机械手臂的建模与控制

１引言目前工业机器人的负载与自重比一般在１：１０到１：３０之间或更小,而人类的负载与自重比通常可以达到１：３,本体过重是实现机械臂高速运动控制的一个障碍．一方面,提高负载与自重比可以满足高速低能耗的需求,同时,也势必会导致本体刚度的下降,从而使机械臂成为具有弹性的结构．机械手臂的高速运动往往会激励起弹性结构的振动,,给运动控制带来许多挑战性的困难．基于刚性动力学的控制策略已无法用于高速高精度的运动控制,需要基于弹性机械臂的动力学设计更为有效的控制算法,这就是弹性臂建模与控制的研究内容．本文中弹性…     

一种欠驱动柔性机器人模型的建立及控制

采用Lagrange建模方法建立了欠驱动柔性自平衡机器人的数学模型,对柔性关节部分考虑了其弹性势能,仿真验证了模型的正确性,刚度越大,机器人上半身角度跟踪越快.采用线性二次型最优控制有效地控制了柔性机器人的平衡问题,通过实验,验证了在状态不完全可观测情况下系统的可控性,实验表明,只需机器人上半身部分安装传感器即可控制机器人达到平衡状态.对机器人结构的设计提供了参考.     

A New Control Scheme of Single-link Flexible Manipulators Robust to Payload Changes

A new scheme is presented in this paper to control single-link flexiblemanipulators. The objective is to control the tip position of the flexiblearm in the presence of joint friction and payload changes. The controlscheme is based on two nested loops: an inner feedback loop to control themotor position which is robust to joint friction, and an outer loop tocontrol the tip position which is robust to payload changes. This outer loopis composed of a feedforward term and a feedback term. This results in asimple control law that needs minimal computing effort and, thus, can beused for real time control of flexible arms. The proposed method is generalin the sense that it can be applied to very different arm structures anddiverse sensor systems configurations. Results corresponding to twodifferent arm setups are presented.     

柔性关节机器人高精度自适应反步法控制

为实现多连杆柔性关节机器人的高精度运动控制,首先对其建立完整的动力学模型,包含了连杆和关节动力学的耦合项、LuGre动态摩擦模型和关节回差等因素．然后针对该模型设计带观测器的自适应反步法控制器,对不可测项进行在线估计和补偿．理论分析证明了观测器的收敛性和闭环系统的稳定性．该方法在一个3DOF（degree of freedom）柔性关节机器人上进行仿真,仿真结果验证了观测器的有效性,并表明该控制器能够降低连杆跟踪误差,实现良好的轨迹跟踪效果．     

双足机器人的鲁棒控制

利用拉格朗日法建立了双足机器人的动力学模型．在双脚支撑地时,运动学方程的约束造成双足机器人自由度的冗余,本文引入拉格朗日因子消除了双足机器人的冗余自由度．采用鲁棒控制法对双足机器人的轨迹跟踪进行控制,仿真实验结果证明, 鲁棒控制法对模型不精确或外部干扰对双足机器人产生的影响有很好的抑制作用,对双足机器人轨迹跟踪控制是有效的．     

基于新型补偿控制策略的柔性关节控制器设计

柔性关节机器人控制系统中存在不确定性扰动、摩擦力、参数变化以及建模误差等问题,而常规PID控制无法兼顾稳定性和控制精度的要求,为此设计了一种基于新型补偿控制策略的柔性关节鲁棒控制器.控制器设计中,将摩擦力分为线性和非线性两部分,扰动分为确定性和不确定性两部分:机器人自身结构相关量、确定性扰动以及摩擦力的线性部分可以通过...     

不依赖模型的机器人鲁棒自适应跟踪控制(英)

提出了一种新颖的鲁棒自适应控制策略，用于不确定性机器人的轨迹跟踪．它不需要任何模型知识，唯一需了解的是系统的阶数和输出的位置及速度状态。理论和仿真均证明，系统的不确定性诸如摩擦力、外部扰动及未建模动力学带来的不确定性影响，均可被设计的控制律补偿，最后可保证全局指数收敛或全局一致最后有界的结果．另外，本文还给出了跟踪误差的暂态测量．     

不确定线性系统鲁棒二次最优控制的时频域方法

利用时域和频域结合的方法,讨论了线性不确定系统鲁棒二次最优控制问题;提出了线性不确定系统鲁棒二次最优的概念,并证明了有关性质,建立了鲁棒回差方程,阐述了鲁棒二次最优控制系统的分析和综合方法;最后给出了工程应用设计实例。     

线性定常时滞系统的鲁棒控制

在建立线性定常时滞系统模型的基础上,给出了时滞系统是独立鲁棒稳定的条件,并利用Lyapunov理论给予一些定理的证明,同时设计出了使闭环系统时滞独立鲁棒稳定的状态反馈控制器（即时滞独立鲁棒镇定问题）,最后给出的一个数值例子中用Matlab编程求出了符合条件的正定矩阵和控制律,从算例结果验证了所得出的结论。     

Robust Stable Fuzzy Control via Fuzzy Modeling and Feedback Linearization with Its Applications to Controlling Uncertain Single-link Flexible Joint Manipulators

In this paper, a robust stable fuzzy control design based on feedback linearization is presented. Takagi–Sugeno fuzzy model is used as representing the nonlinear plant model and uncertainty is assumed to be included in the model structure with known bounds. For this structured uncertainty, the closed system can be analyzed by applying the perturbation system stability analysis to the fuzzy feedback linearization systems and a sufficient condition is derived to guarantee the stability of the closed-loop system with bounded parameter uncertainties. Based on the developed analysis method, we can design a robust fuzzy controller by choosing the control parameters satisfying the robust stability condition.     

一类互联机器人系统鲁棒分散自适应控制

研究一类存在模型不确定性和外部扰动的互联机器人系统的控制问题.控制器由一般线性控制器,线性自适应控制器和非线性自适应控制器综合构成.通过Lyapunov理论证明设计的鲁棒分散自适应控制器能够有效地克服不确定性对系统的影响,实现闭环系统的渐近轨迹跟踪控制.最后给出一个仿真例子进一步验证控制器的有效性.     

Tip Tracking Control of a Single-Link Flexible Robot: A Backstepping Approach

In this paper, tip tracking control is investigated for a single-link flexible robot. The flexible beam is first lumped to a spring-mass system, to which the so called backstepping approach is applicable, then two robust controllers and an adaptive controller are developed in the presence of system disturbances/uncertainties. The controllers are rigorously proven to be able to achieve stable tip position and velocity tracking control in the sense of Global Uniform Ultimate Boundedness (GUUB). Numerical simulation results are provided which show that the proposed controllers are effective.     

基于MapleSim的六自由度柔性机械臂动力学仿真

柔性机械臂是一个复杂的机电一体化系统,涉及到多个物理领域。传统柔性结构建模一直存在建模复杂、模型不易扩展、运行速度慢等缺点,而且难以实现多领域建模,忽略了不同物理领域相互作用给整体系统所造成的影响。为了提高建模效率和仿真准确度,采用MapleSim多领域建模仿真平台,建立了六自由度柔性机械臂模型,包括柔性臂杆、关节、伺服驱动系统、传感器等。基于模型,从多领域的角度研究了柔性机械臂的动力学特性。该方法建模工作量小,所建模型易修改。仿真结果表明了该方法的有效性。     

电机驱动机械人手臂的鲁棒自适应控制

针对电机驱动机械手的工作环境复杂负栽变动大难控制的问题,提出一种机械手的鲁棒自适应控制方法.通过代数运算将机器人手臂模型变换为线性误差系统加未知干扰的形式.设计误差系统的积分滤波器,通过合理地选择滤波器参数,可使滤波器输出渐近收敛到零.同时由滤波器可得到理想电流和干扰的更新估计.以理想电流为目标设计电机的控制律.基于Lyapunov稳定理论分析了该方法的稳定性,给出了稳定性充分条件.实例仿真结果表明该方法有效.     

六连杆助行康复机器人鲁棒控制

为帮助老年人及偏瘫患者恢复自然步态的行走,提出了一种六连杆助行康复机器人机构模型.考虑患者体重差异及助行康复训练过程中下肢肌张力的变化,在机器人动力学分析的基础上设计了一种具有抗干扰性能的鲁棒控制器.基于李亚普诺大理论证明了该控制器可有效地抑制外界干扰信号的影响,并进行了鲁棒控制实验研究.研究结果表明,鲁棒控制器能够抑...     

具有时变不确定线性系统的鲁棒无源控制

研究具有时变不确定参数的线性系统在有界能量外部输入作用下的鲁棒无源控制问题.目的是设计一个反馈控制器使得闭环系统是二次稳定,同时具有严格无源性.研究结果证明,这一问题可以转化为一个等价的具有某个参数的线性时不变系统的正实控制问题,从而可用现有的正实控制问题的求解方法解决所研究的问题.     

含时变不确定性线性系统的鲁棒跟踪控制

本文就含时变不确定性的线性系统,研究了鲁棒跟踪控制器的设计问题。文中利用Ｒｉｃ－ｃａｔｉ方程,给出了使系统输出鲁棒跟踪某一动态输入的线性控制律,对于匹配系统,跟踪误差可以任意小,从而得到实际跟踪;对于不满足匹配条件的系统,若另一些条件成立,则跟踪误差有界。     

柔性连接倒立摆系统的控制与实现

柔性连接的倒立摆系统是在直线倒立摆系统的基础上引入自由振荡环节,使闭环控制系统的响应频率受到弹簧振荡频率的限制,从而增加了对该系统控制器设计的难度。在建立被控系统动力学模型的基础上,通过数学分析,应用线性二次型最优控制策略进行状态反馈控制器的设计,成功地将柔性连接倒立摆系统稳定地平衡在倒立状态。仿真以及实际系统的实验均验证了所采用方法的有效性。最后对所实现的控制器的控制性能进行了分析。     

Decentralized PD and Robust Nonlinear Control for Robot Manipulators

A decentralized PD and robust nonlinear feedback law for robot motioncontrol is proposed. The control system structure is based on thegeneralized tracking error proposed by Slotine and Li. Using this systemstructure, a simple and comprehensive result on the local stabilityconditions of PD control is obtained. A decentralized robust nonlinearfeedback term is then added to it to improves the performance of trackingerrors from local convergence to global convergence. Since the approachkeeps the simplicity of the independent joint controller structure it can beeasily implemented in most robot systems without hardware alteration.     

Impedance Control of Flexible Robot Arms with Parametric Uncertainties

This paper presents an adaptive impedance control strategy for flexible manipulators by using an end-effector trajectory control approach. The impedance control objective is converted into tracking a trajectory generated by a designed ideal impedance model. A manifold is designed to prescribe desirable performance of the system. An adaptive control scheme is derived in such that the motion of the system will converge and remain to the ideal manifold for the case of parametric uncertainties. Stability of the control system is analyzed. Simulations are carried out to demonstrate the effectiveness of the proposed control method.