自由漂浮空间机器人力矩最优轨迹规划算法

针对自由漂浮空间机器人的轨迹规划问题,提出一种基于粒子群优化算法的机械臂关节角驱动力矩最优轨迹规划算法.首先通过对自由漂浮空间机器人系统的动力学方程进行分析,给出了以机械臂关节角驱动力矩为目标函数的轨迹最优控制算法,并采用高阶多项式插值方法逼近机械臂关节角轨迹,结合粒子群优化算法对机械臂关节角轨迹进行优化求解.数值仿真表明,规划出的关节角轨迹平滑连续,在完成自由漂浮空间机器人姿态调整任务的同时,机械臂关节角驱动力矩降至最低.     

空间机器人多臂精准协同控制技术

为了解决单臂空间机器人在轨服务任务中机械臂末端位姿控制精度有限的问题,提出了一种空间机器人多臂精准协同控制方法,该方法以3条7自由度机械臂的空间机器人(SR)为研究对象,利用Kane方法建立了具有通用性的SR动力学模型,该模型包括本体动力学方程与各条机械臂动力学方程两部分;在此基础上,基于李雅普诺夫稳定性理论,设计了SR捕获目标过程中机械臂各关节的轨迹跟踪控制律,克服了机械臂的运动抖动问题．仿真结果表明,该方法可保证机械臂末端按照期望的轨迹运动,并且能提高机械臂末端位姿控制精度．     

空间机械臂在轨快换高精度模块化关节的研制

研制了一种高输出力矩可实现高速比、高控制精度的在轨可维护模块化关节。首先对高负载空间机械臂进行了动力学仿真,计算出关节力矩需求。其次,确定直流无刷舵机串联谐波减速器的传动方案。直流无刷舵机本身的齿轮传动误差经过谐波传动可以忽略,又有效提高了速比;输出端谐波减速器使关节在满足力矩需求的同时,具有很高负载自重比和传动精度,整个关节的机械回差可控制在1 arc min以内。在机械精度得以保证的同时,设计了基于FPGA的空间机械臂关节硬件控制器,完成高精度传的感器信息采集处理以及关节的闭环控制,以达到3 arc min以内的闭环控制精度指标。另外,为保证此关节长期在轨服役需求,设计了在轨可更换功能以及在轨手动驱动功能;所有控制电路集成于关节内部,实现机电一体模块化,便于在轨整体拆换。最后以关节样机为实验对象,搭建关节负载-精度测试平台,通过PD控制得出关节闭环控制精度,验证了设计的正确性。     

串联机械臂结构优化方法

为解决串联机械臂结构优化问题,提出一种基于工作空间和能量消耗综合指标的机械臂结构优化方法.该方法在机械臂原有结构设计的基础上,以满足原有全局性能指标约束为前提,以机械臂工作空间和特定工作区域上的能量消耗为性能指标,利用遗传算法优化机械臂结构参数,使优化后的机械臂不但具有原设计工作空间特性,而且运行能量消耗最优;推导了基于工作空间和能量消耗的综合性能指标计算方法,并给出基于实数编码遗传算法的机械臂结构优化算法.在某6R型串联机械臂结构优化上的应用结果表明：该机械臂结构优化方法能有效地优化机械臂结构,减小运行能量消耗,优化结果能够满足预定工作空间特性约束.     

基于碰撞检测的空间冗余机械臂避障路径规划

针对障碍环境中自由漂浮模式空间冗余机械臂的路径规划问题进行了研究。首先基于球形包围盒和空间叠加思想简化描述障碍物和机械臂的空间占位关系,采用直线段与球体之间相对位置关系判断是否碰撞的检测方法。然后从正向运动学出发,运用关节参数化方法,把路径规划问题变为带约束的参数优化问题,并考虑基座姿态扰动最小以及碰撞规避建立多项加权的目标函数,通过粒子群优化算法求解最优解,得到机械臂关节运动轨迹。最后以七自由度空间冗余机械臂为例进行仿真,结果表明该方法可以实现有效避障,同时基座姿态受扰很小,关节运动轨迹平滑,且机械臂末端也能够以较高精度达到期望位姿。     

基于径向基函数神经网络的空间漂浮机械臂装配控制

针对空间漂浮机械臂在轨装配中动力学模型失准、待装配模块质量特性未知情况下的精确控制问题，本文提出了一种基于径向基函数神经网络补偿控制的装配方法。给出空间漂浮装配机械臂的构型设计及动力学模型描述，设计了一种基于径向基函数神经网络原理的补偿控制率，进行了稳定性与收敛性分析，推导出基于径向基函数神经网络神经网络的空间漂浮基座机械臂装配控制自适应律。不同工况下的在轨装配仿真案例表明：基于径向基函数神经网络原理补偿的控制方法能够控制机械臂末端执行器在未知特性大负载作用下快速准确地跟踪期望轨迹，而不进行补偿时控制器性能下降严重、甚至失效。所提出装配控制方法具有较强的工程实用价值，能为未来空间装配任务提供有效借鉴。     

基于模型预测控制的磨削机器人末端力跟踪控制算法

基于曲面预测与模型预测控制算法提出磨削机器人对连续曲面工作时的末端力控制算法。给出机械臂离散、线性化的动力学模型;根据曲面预测算法计算未来时刻的曲面坐标,通过快速算法和求逆解运算获得机械臂满足设定值时各关节的期望角度;由动态矩阵控制算法求得机械臂各关节的输入力矩,以实现对期望关节角的轨迹跟踪。在仿真试验中控制机械臂追踪未知连续曲面,证明了机械臂针对未知曲面作业时所提算法力控制的实时有效性,并且达到目标要求。     

七自由度冗余混联机械臂的动力学分析

结合人体手臂关节的运动特点,提出新型七自由度冗余串并混联拟人机械臂机构,并以该机构为例提出混联机构动力学建模方法. 根据运动的传递特性,采用矢量法推导出各个构件在各关节坐标系中的速度和加速度. 基于牛顿-欧拉法在各关节坐标系建立冗余混联机械臂机构的力平衡方程,由于肩关节为过约束机构,所要求解的未知量为27个,基于牛顿欧拉法所建动力学方程为24个. 引入冗余约束力（力矩）引起的杆件变形与动平台位置误差的关系作为补充条件,利用小变形叠加原理补充3个肩关节机构的变形协调方程,联立方程组得到机械臂动力学全解模型. 通过直线、抛物线和圆形轨迹的算例仿真结果验证动力学模型的正确性,为该机构的进一步研究及应用奠定理论基础.     

基于GWLN方法的冗余机械臂关节力矩约束控制

针对冗余机械臂受到的关节驱动力矩有限的约束,提出基于广义加权最小范数法(GWLN)的算法.通过引入辅助变量,考虑重力和科里奥利力的影响,排除现有方法对机械臂低速运行的假定.在逆运动学求解时,对扩展变量的加权范数优化,使得规划关节加速度所需的力矩指令保持在驱动器输出范围之内.该算法的有效性通过数学证明得到验证.在MATLAB ROBOTIC TOOLBOX中对PUMA560机械臂的仿真结果证实,基于GWLN方法控制的机械臂在遵循关节力矩约束的同时,准确地完成操作任务.同零空间力矩优化方法及现有加权方法的仿真结果对比显示,基于GWLN方法的控制算法能够更加有效地保证力矩约束,具有更好的稳定性.     

基于旋量理论的模块化机械臂动力学建模

机器人系统建模方法主要有D-H参数法和旋量法。旋量法建模具有物理意义清晰,表示无奇异等优点。基于旋量理论对6自由度的机械臂进行机构描述,采用Newton-Euler方法建立机械臂的动力学模型,然后进行动力学仿真实验。首先设置一段机械臂关节轨迹,利用逆动力学方程求解出相应的力矩,然后将力矩拟合函数和初始关节角位移和角速度代入到正动力学方程中,求得相应的运动轨迹。通过正、逆动力学仿真,可以看出正、逆动力学所得结果一致,验证了动力学模型的正确性。     

Integrated energy-oriented lateral stability control of a four-wheel-independent-drive electric vehicle

Improving the energy efficiency of an electric vehicle(EV) is an effective approach to extend its driving range. This paper proposes an integrated energy-oriented lateral stability controller(IESC) for a four-wheel independent-drive EV(4 WID-EV) to optimize its energy consumption while maintaining vehicular stability during cornering. The IESC is a hierarchical controller with two levels. The high-level decision-making controller determines the virtual control inputs, i.e., the desired additional yaw moment and total wheel torque, while the low-level controller allocates the motor torques according to the virtual control inputs.In the high-level controller, the desired additional yaw moment is first calculated using a linear quadratic regulator(LQR) to minimize the control expenditure. Meanwhile, a stability weighting factor(SWF) based on phase plane analysis is proposed to adjust the additional yaw moment, which can reduce the additional energy consumption caused by the mismatch between the reference model and the actual vehicle. In addition to the yaw moment, the desired total wheel torque is calculated using a proportional-integral(PI) controller to track the desired longitudinal velocity. In the low-level controller, a multi-objective convex-optimization problem is established to optimize the motor torque by minimizing the energy consumption and considering the tire-road frictional limit and motor saturation. A globally optimal solution is obtained by using an active-set method. Finally,double-lane change(DLC) simulations are conducted using Car Sim and MATLAB/Simulink. The simulation results demonstrate that the proposed controller achieves great lateral stability control performance and reduces the energy consumption by5.23% and 2.95% compared with the rule-based control strategy for high-and low-friction DLC maneuvers, respectively.     

扩展雅克比方法的冗余度机器人逆运动学应用

采用用于冗余度机器人求解的扩展雅克比方法,通过引入次级任务实现了冗余度机器人的周期性控制.介绍了自行研制的4自由度轻型机器人,以指定的空间轨迹作为主要操作任务,采用姿态控制作为次级任务,对4自由度冗余机器人进行了逆运动学求解和实验验证.并给出了机器人关节空间的期望变量,得到了关节空间和笛卡尔空间的轨迹误差.     

Anti-Windup Control Strategy of Drive System for Humanoid Robot Arm Joint

To address the problems of torque limit and controller saturation in the control of robot arm joint,an anti-windup control strategy is proposed for a humanoid robot arm,which is based on the integral state prediction under the direct torque control system of brushless DC motor.First,the arm joint of the humanoid robot is modelled.Then the speed controller model and the influence of the initial value of the integral element on the system are analyzed.On the basis of the traditional anti-windup controller,an integral state estimator is set up.Under the condition of different load torques and the given speed,the integral steady-state value is estimated.Therefore the accumulation of the speed error terminates when the integrator reaches saturation.Then the predicted integral steady-state value is used as the initial value of the regulator to enter the linear region to make the system achieve the purpose of anti-windup.The simulation results demonstrate that the control strategy for the humanoid robot arm joint based on integral state prediction can play the role of anti-wind-up and suppress the overshoot of the system effectively.The system has a good dynamic performance.     

并联混合动力汽车模糊控制能量管理策略研究

针对一款并联混合动力汽车,以提高整车燃油性和改善尾气排放为控制目标进行了能量管理策略研究。将混合动力系统整车需求转矩与当前转速下的发动机最优转矩差值（ΔT）、电池组荷电状态（SOC）作为模糊转矩控制器输入,发动机输出转矩作为控制器输出,设计了25条控制规则,基于ADVISOR仿真验证该策略的有效性和可行性。仿真研究表明,提出的能量管理策略提高了发动机工作效率,减少了燃油消耗和尾气排放,并能维持电池组的SOC在合理的范围内波动。     

基于双生成函数的步行机器人最优步态生成

将最优控制理论中的双生成函数方法应用到双足步行机器人的在线最优步态生成中.针对线性化的机器人模型,分别以关节角度和力矩为状态和输入变量,考虑能量消耗,构造线性二次型最优控制问题.基于一对生成函数推导得到该问题的解,可以参数化为线下计算系数和边界条件,相对应的求解过程由线下数值积分部分和线上代数运算部分组成.通过设置多步仿真实例进行计算.结果表明,利用该方法可以显著地提高机器人步态的在线生成效率.设计比例微分控制器,当机器人以合理的步长和适当的时间段行走时,由线性化引起的建模误差可以被控制在较小范围之内,非线性模型的轨迹可以很好地跟踪线性化模型的轨迹.     

基于终点时刻末端误差的柔性臂迭代学习控制

针对柔性臂重复运行的情况,在仅能测量运行终点时刻末端位置的条件下,提出一种新的结合计算力矩法的迭代学习控制（ILC）方法.该方法利用柔性臂的简化动力学模型,给出各关节控制力矩的参数化表示;并依据终点时刻柔性臂末端位置的误差,通过迭代学习算法调整控制力矩的参数,实现精确到达预期末端位置的目标.算法利用ILC不依赖模型的特点,弥补计算力矩法需要精确模型的缺陷;参数的迭代学习主要起到消除模型误差和各种干扰的作用,增强算法的鲁棒性.通过理论分析给出所提算法的收敛条件.最后在柔性臂系统上进行仿真及实际试验.结果表明,所提出的ILC算法能够克服连杆柔性对柔性臂末端误差的影响,显示良好的控制效果.     

采用帆板-滑块执行结构的太阳帆姿态控制

为实现太阳帆三轴姿态控制,采用一种新型的帆板-滑块执行机构进行姿态控制.基于滑模控制理论提出一种强鲁棒的姿态控制器,以抑制执行机构工作过程中航天器转动惯量变化对姿态控制的影响.此外,引入自适应律,提出一种自适应抗扰控制律,以抑制光压力矩和引力梯度力矩对姿态的干扰作用.最后,基于执行机构的动力学特性设计了操纵律,解算出帆板转动角度和滑块滑动位移,提供给控制器所需控制力矩.仿真结果表明:采用所提控制律和执行机构操纵律可使太阳帆姿态较快地机动至期望位置,并较好地抑制了转动惯量变化、光压力矩干扰和引力梯度力矩干扰带来的影响,同时使控制力矩、帆板角度和滑块位移均保持在适当的幅值范围内.所提控制策略有效地实现了太阳帆三轴姿态控制.     

在书写任务中的基于轨迹匹配的模仿学习

针对书写任务中运动轨迹较复杂的问题,引入基于轨迹匹配的模仿学习算法对书写轨迹进行表征和泛化,进而实现机器人书写技能的获取。机器人从示教者处获取示教数据,利用高斯混合模型( Gaussian mixture model, GMM)进行编码,学习示教行为的本质特征,通过高斯混合回归进行泛化处理,实现行为再现。实验结果表明：该方法具有良好的行为编码能力和抗干扰性,能够实现轨迹可连续的汉字书写,通过对GMM的扩展能够进行多任务学习,进而实现轨迹不可连续汉字的书写,泛化效果较好。     

铰接机械手运动和动力参数的转换

变换矩阵用来建立起铰接机械手与传统方法所获得机械手的扭矩,速度,雅各比矩阵及齐次变换矩阵之间的关系。找出在执行机构空间和在关节空间内的扭矩,速度,雅各比齐次变换矩阵之间的关系。一旦得到这一矩阵,用传统公式计算的扭矩及雅各比可变换成铰接机械手的实际扭矩和雅各比。