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...     

基于RBF神经网络的多关节机器人固定时间滑模控制

针对具有典型非线性特性的多关节机器人轨迹跟踪控制问题,提出一种基于径向基函数(RBF)神经网络的固定时间滑模控制方法.首先,基于凯恩方法建立包括系统模型不确定性以及外部干扰在内的多关节机器人动力学模型;然后,根据机器人动力学模型设计一种固定时间收敛的滑模控制器,RBF神经网络用来逼近系统模型中的不确定性项,并利用Lyapunov理论证明该系统跟踪误差能在固定时间内收敛;最后,对特定型号的多关节机器人虚拟样机进行仿真分析,结果表明:与基于RBF神经网络的有限时间滑模控制器相比,所提出控制器具有良好的跟踪性能且能保证系统状态在固定时间内收敛.     

空间绳系机器人抓捕目标过程协同稳定控制

针对空间绳系机器人抓捕无控目标过程中的自身稳定控制问题,提出一种操作机械臂主动阻尼控制与利用空间系绳、反作用轮进行基体姿态稳定控制相结合的协同稳定控制方法.文中首先建立了空间绳系机器人抓捕目标的动力学模型及与目标的接触碰撞模型,分析了抓捕过程中空间绳系机器人及目标的运动状态,在此基础上设计了操作机械臂关节主动阻尼控制律以减小碰撞力对操作机械臂末端的冲击,结合基体姿态的变化设计了滑模姿态稳定控制律,通过空间系绳和反作用轮提供基体所需的滑模姿态控制力矩.在抓捕目标仿真过程中对关节主动阻尼控制方法和所提出的协同稳定控制方法进行比较分析,结果表明,本文提出的抓捕目标协同稳定控制方法能很好地稳定操作机械臂和基体,且空间系绳对基体及目标的扰动影响很小,达到了空间绳系机器人抓捕目标时自身稳定的要求.     

受动态约束的谐波传动式可重构模块机器人分散积分滑模控制

针对受外界动态约束的谐波传动式可重构模块机器人轨迹跟踪问题, 提出一种基于关节力矩反馈的分散积分滑模控制方法. 在无力/力矩传感器且存在耦合模型不确定性的条件下即能获得良好的控制品质. 基于谐波传动模型, 仅采用位置测量数据估计关节力矩, 并建立机器人子系统动力学模型. 基于可变增益超螺旋算法(VGSTA) 设 计分散积分滑模控制器, 补偿模型不确定性并削弱控制器抖振. 采用Lyapunov 理论对系统的渐近稳定性进行了证明. 值仿真结果验证了所设计的控制器的优越性.

     

神经网络滑模控制下肢外骨骼机器人的轨迹跟踪

针对下肢外骨骼机器人行走稳定性与步态轨迹跟踪控制问题,对下肢外骨骼机器人三连杆模型进行动力学建模与轨迹仿真。通过拉格朗日法建立下肢外骨骼机器人的动力学模型,设计了神经网络自适应滑模控制算法。引入神经网络,对下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪系统的不确定项进行逼近,在控制器中采用了改进的趋近律,使用李雅普诺夫稳定性理论进行了稳定性分析,并通过MATLAB对改进后的控制算法进行了仿真验证。仿真结果表明,采用该算法对具有关节摩擦和外界环境干扰的下肢外骨骼机器人进行轨迹跟踪时,具有较好的跟踪效果;通过改进的趋近律,能削弱系统的抖振。相比于基于计算力矩法的滑模控制,该控制算法有更好的跟踪效果,能应用到下肢外骨骼机器人行走的稳定性和步态轨迹跟踪控制中。     

具有谐波减速器的机器人关节建模与动力学参数辨识

针对串联机器人,提出了一种改进的机器人关节模型,并采用该模型开展了机器人动力学建模与辨识工作。建立了机器人动力学模型,对机器人关节结构进行分析,改进了关节模型,并通过谐波减速器的输入力矩近似估计其摩擦力矩。选取傅里叶级数为激励轨迹并优化其参数,通过控制关节按照所得轨迹运动,采集并处理相关数据,并基于加权最小二乘法分别辨识机器人关节模型参数与连杆动力学参数。通过关节预测力矩对所得参数进行验证,结果表明,基于改进关节模型的机器人动力学模型精度得到明显提升。     

基于解耦线性化的变刚度关节动态刚度辨识

为了能够利用变刚度关节实现对机器人动态特性的调整,需要对关节的动态刚度进行有效的辨识和控制.本文首先根据机器人变刚度关节的结构特点建立了简化模型,并对其刚度输出特性表达做出假设;然后对模型中的力矩相关参数进行解耦,消除了关节刚度调节参数对力矩的影响,获取与刚度辨识相关的归一化力矩;利用泰勒展开对归一化力矩进行线性化处理,采用卡尔曼滤波器进行了系数优化,并进一步实现了对关节动态刚度的辨识.仿真中该刚度在线辨识方法可以将辨识误差控制在±2%以内,在实现动态刚度辨识的基础上研究了基于前馈的刚度闭环控制方法,通过仿真实验验证了该方法对于机器人关节刚度闭环控制是有效的.     

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.     

气动肌肉四足机器人建模与滑模控制

设计了2个拮抗式气动肌肉关节串联的2自由度腿部机构,基于三元素气动肌肉模型,建立单腿拉格朗日动力学模型.构建了系统状态空间,设计了基于干扰上界的滑模控制(SMC)律.搭建了仿真和实验测试平台.分别采用比例-积分-微分(PID)控制、滑模控制对髋关节和膝关节位置跟踪进行仿真和实验.实验结果表明,与PID控制相比,在SMC控制下髋关节误差降低26.2%,膝关节误差降低25.1%,SMC控制的位置跟踪精度要优于PID控制.在自主研发的四足机器人样机平台上进行测试,在SMC控制下可实现四足机器人的小跑步态.     

侧向推搡下的四足机器人复合抗扰控制策略

针对四足机器人侧向推搡下的平衡恢复问题,提出了一种复合抗扰反应式鲁棒控制策略.该策略由摆动相的自适应侧摆规划策略和支撑相的关节抗扰控制构成.摆动相自适应侧摆规划策略通过四足机器人足端落地点的力平衡条件进行主动式步态规划以保证机器人在侧向推搡下的姿态稳定,并基于关节输出力矩给出了侧摆的启动条件.支撑相关节抗扰控制通过带扰动项的四足机器人完整动力学模型设计了基于干扰观测器的鲁棒滑模控制器,实现对侧向推搡扰动的补偿.最后,通过Matlab与ADAMS联合仿真验证了提出的控制策略的有效性.     

Robust adaptive control of an underactuated free-flying space robot under a non-holonomic structure in joint space

This paper introduces a robust adaptive control scheme for an underactuated free-flying space robot under non-holonomic constraints. An underactuated robot manipulator is defined as a robot that has fewer joint actuators than the number of total joints. Because, if one of the joints is out of order, it is so hard to repair the joint, especially in space, the control of such a robot manipulator is important. However, it is difficult to control an underactuated robot manipulator because of the reduced dimension of the input space, i.e. the non-holonomic structure of the underactuated system. The proposed scheme does not need to assume that the exact dynamic parameters must be known. It is analysed in joint space to control the underactuated robot mounted on the space station under parametric uncertainties and external disturbances. The simulation results have shown that the proposed method is very feasible and robust for a two-link planar free-flying space robot with one passive joint.     

Robust Motion Control for Robotic Assembly Tasks using Variable Structure Control Scheme

The success of robot assembly tasks depends heavily on its ability to handle the interactions which take place between the parts being assembled. In this paper, a robust motion-control method is presented for robot manipulators performing assembly tasks in the presence of dynamic constraints from the environment. Using variable structure model reaching control concept, the control objectives is first formulated as a performance model in the task space. A dynamic compensator is then introduced to form the switching function such that the sliding-mode matches the desired model. A simple variable structure control law is suggested to force the system to reach and stay on the sliding mode so that the specified model is achieved.The proposed method is applied to control the prismatic joint of a selective compliance assembly robot-arm type robot for the insertion of printed circuit board into an edge connector socket. Various amounts of interaction forces are generated during the operation. Experimental and simulation results demonstrated the performance of the variable structure model reaching control approach. In comparison, it is shown that the popular position controllers such as proportional plus derivative control and proportional plus derivative with model-based feedforward control are not suitable for achieving good trajectory tracking accuracy in assembly tasks which experience potential interaction force.     

基于虚拟样机技术的空间机器人系统的建模与仿真

首次采用虚拟样机技术对空间机器人系统进行建模和仿真,得出了反映机器人与卫星本体间运动学和动力学耦合情况的一些重要结果、为保持本体姿态稳定和驱动机器人按预定轨迹运动所需的控制力矩等．该方法可方便地用于验证固定基座、自由飞行、自由飘浮机器人的路径规划、控制算法、奇异空间等．与其它建模和仿真方法相比,该方法建模简单、可视化强、后处理功能极其强大,可实现多刚体系统闭环控制的仿真．     

柔性臂漂浮基空间机器人建模与轨迹跟踪控制

利用拉格朗日法和假设模态方法建立了末端柔性的两臂漂浮基空间机器人的非线性动力学方程．通过坐标变换,推导出一种新的以可测关节角为变量的全局动态模型，并在此基础上运用基于模型的非线性解耦反馈控制方法得到关节相对转角与柔性臂的弹性变形部分解耦形式控制方程．最后，讨论了柔性臂漂浮基空间机器人的轨迹跟踪问题，并通过仿真实例计算,表明该模型转换及控制方法对于柔性臂漂浮基空间机器人末端轨迹跟踪控制的有效性．     

全向移动机器人编队分布式控制研究

简单介绍了NuBot机器人的两个主要组成部分：全向视觉和全向运动系统，并给出了运动学分析．基于该机器人平台，提出了D-A和D-D控制两种跟踪算法．通过机器人之间的相对定位和局部通信，实现了多机器人编队的分布式控制，同时，该算法可对机器人朝向进行独立控制．针对不同情况下的编队避障问题，提出了编队变形和编队变换两种方法．仿真和实际机器人实验表明，D-A控制方法能够实现平滑的编队变换；编队变形方法能够在尽量保持原始队形的情况下保证编队顺利避障．     

T-S 模糊模型变结构的机器臂轨迹跟踪控制

针对不确定性的机械臂轨迹跟踪问题,结合滑模变结构和T-S模糊模型的优点,给出一种基于T-S模糊模型的变结构轨迹跟踪的方法。首先采用T-S模型建模,得到机械臂的模糊模型;然后设计出保证机械臂全局渐近稳定的滑模控制器。仿真结果表明,所设计的模糊变结构控制器与普通变结构控制器相比,可使机械臂无论在计算时间、误差上都具有更大的优势和更强的鲁棒性。     

基于滑模变结构控制的路径跟踪研究

为解决锅炉水冷壁磨损检测机器人的路径跟踪问题,提出了一种基于指数趋近律的滑模变结构控制的机器人路径跟踪方法。在水冷壁磨损检测机器人运动模型的基础上,进行路径跟踪误差分析,设计一种基于指数趋近律的滑模变结构控制器,再利用Lyapunov定理验证其收敛性,最后通过MATLAB软件模拟仿真,仿真结果表明该控制器可以克服误差,使位姿误差收敛至零。     

Adaptive Jacobian force/position tracking for space free-flying robots with prescribed transient performance

This paper presents a tracking control with guaranteed prescribed performance (PP) for space free-flying robots with uncertain kinematics (Jacobian matrix) and dynamics, uncertain normal force parameter, and bounded disturbances in a compliant contact with a planar surface. Given the orientation of the surface and a nonlinear model of the elastic force, a controller is designed requiring no information on the robot parameters and the disturbances. This controller will guarantee that the tracking errors satisfy PP indexes such as the maximum steady-state errors and overshoots, and the minimum convergence rates. Thus, contact maintenance can be ensured as prescribed. An approximation of the Jacobian is utilized in the presence of uncertain robot kinematics, and PP position/attitude tracking of the free-flying base is achieved in addition to the PP force/position tracking of the manipulator’s fingertip. The proposed controller is based on an error transformation technique, and a directly tunable gain for the transformed error feedback is introduced in the control to trade off between the tracking performance and control effort. Numerical simulations and comparisons demonstrate the effectiveness and superiority of the proposed controller.     

机器人在任务空间的变结构跟踪控制

本文提出了一种面向任务空间的机器人变结构控制算法.该算法不需要从任务空间到关 节空间的坐标变换,直接利用任务坐标计算控制力矩.变结构控制的主要思想在于将复杂的 切换条件问题离线进行,从而庞复的动力学实时控制的计算问题可以迎刃而解.     

空间机器人分布式控制系统

针对六自由度机器人控制系统的特点以及空间环境对系统的影响,提出基于双冗余设计思想的分布式视觉伺服控制系统。该系统由主控制计算机和关节控制器、手爪控制器、手眼视觉控制器等多个节点组成。系统采用冷热两级双冗余CAN总线作为各模块问的通信总线,各节点均采用双冗余设计。各智能节点通过主控计算机的规划和协调完成对机器人系统的控制功能,解决了空间机器人控制系统处理能力、空间适应性和通信实时性等问题,并进行了系统集成和性能、功能的测试,验证了该设计方案的可行性。