基于模型降阶的平面三连杆欠驱动机械系统位置控制

针对第一关节为被动的平面三连杆欠驱动机械系统,提出一种基于模型降阶的位置控制方法. 首先,建立平面三连杆欠驱动系统数学模型,并分析其积分特性;其次,将部分可积的三连杆系统分段降阶为两个完全可积的两连杆子系统,并基于两子系统获得系统驱动杆与欠驱动杆之间的状态约束关系;然后,利用粒子群优化算法,根据系统末端点目标位置计算驱动杆目标角度;最后,分别设计两连杆子系统控制器,实现系统从任意初始位置到任意目标位置的控制目标. 仿真结果验证所提控制策略的有效性.     

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.     

一类新的PPA型三连杆欠驱动机器人的控制策略

PPA型机器人是一类新型的三连杆欠驱动机械系统,具有3个自由度,但只有1个驱动装置.针对这类欠驱动机器人的运动控制,提出一种分区的控制策略,使之从垂直向下的位置摇起到垂直向上的位置,并实现稳定控制.首先,将系统的运动空间划分为摇起区和吸引区;其次,应用一种基于Lyapunov函数的控制方法来增加系统能量和控制驱动杆姿态,实现摇起操作;再次,采用最优控制方法设计平衡控制,实现稳定的平衡控制;最后,通过仿真实验验证了所提出控制方法的有效性.     

欠驱动岸边集装箱起重机防摆控制方法研究综述

针对控制领域的研究热点之一非线性、欠驱动岸边集装箱起重机防摆控制问题,从欠驱动系统的概念和岸边集装箱起重机动力学模型出发,详细分析研究的必要性、国内外研究现状和难点。最后,分析现有控制方法存在的主要问题,并对岸边集装箱起重机防摆控制方法进一步的发展方向进行了展望。     

基于输出反馈的欠驱动TORA系统的有界输入控制

针对欠驱动TORA(Translational oscillations with a rotational actuator)系统,设计了一种具有执行器饱和约束的输出反馈等[7]特别地,由Rand学者提出的TORA系统,最初控制器.与其他现有方法相比,本文方法不仅考虑了执行器饱和约束和作为双自旋航天器的简化模型用于研究自振现象.后来由于速度信号不可测情形,而且考虑了旋转小球可能存在的循环行为.具体而TORA系统具有强耦合、高度非线性、欠驱动等特性,而被言,首先根据TORA系统模型分析了TORA系统的控制目标;随后,作为一种非线性基准系统主要用于非线性控制器设计、验证构造了一种新颖的能量函数,在此基础上设计了一种考虑执行器饱和约非线性控制算法的控制性能或教学研究.目前国内外已有多束的输出反馈控制器,并通过严格的数学分析证明了闭环系统关于平衡点的稳定性;最后,借助数值仿真测试检验了所提控制器的控制性能,并所高校和研究机构针对TORA系统的控制问题展开研究.对与已有方法进行了对比.仿真测试结果表明本文所提方法具有更好的控法制性能.     

基于轨迹规划的平面三连杆欠驱动机械臂位置控制

针对中间关节为欠驱动的二阶非完整平面三连杆机械臂,提出一种基于轨迹规划的末端点位置控制策略.首先,建立系统的动力学模型,并根据几何关系利用差分进化算法求取所有连杆与目标位置相对应的目标角度;然后,根据驱动关节与欠驱动关节的耦合关系,采用时间缩放法和双向法分别规划两根驱动连杆的两条轨迹,并利用遗传算法优化合适的第1连杆中间位置,将两条轨迹拼接成一条完整可达轨迹;最后,设计滑模变结构控制器以跟踪完整可达轨迹,实现系统从初始位置到目标位置的控制目标.数值仿真结果表明了所提出控制策略的有效性.     

基于能量整形方案实现具有通讯时滞欠驱动Euler-Lagrange网络的一致性

本文主要基于能量整形方案研究具有通讯时滞网络化欠驱动Euler-Lagrange (EL)系统的一致性问题,通过利用阻尼注入和互连分配的无源控制(PBC)技术,在有向连通网络拓扑下提出了一个简单的分布式协议,来实现在无引导者和有引导者-跟随者两种情形下欠驱动EL网络的一致性. 本文提出的一致性能量整形方案的主要特点是有机地整合了系统欠驱动和驱动部分以及控制器三部分能量作为整个系统的总能量,这个总能量被利用作为一个合适的Lyapunov函数,它能够充分确保网络化欠驱动EL系统达到所期望的分布式一致性. 最后,通过由欠驱动EL网络所描述柔性关节机械臂系统的数值模拟,来分析通讯时滞对一致性的效应和验证所提出控制算法的正确性.     

欠驱动柔性机器人的振动可控性分析

欠驱动柔性机器人的可控性分析是对其进行有效控制的关键问题. 本文以具有柔性杆的3DOF平面欠驱动机器人为例, 分两步分析系统的可控性. 首先,忽略杆件的弹性变形, 研究欠驱动刚性系统在不同驱动电机位置的状态可控性；然后, 考虑柔性因素, 研究欠驱动柔性系统的结构振动可控性. 结果表明振动可控性是随机器人关节位形和驱动电机位置而变化的, 并且欠驱动刚性机器人的状态可控性对相应的柔性系统的振动可控性有很重要的影响. 最后, 将上述研究方法扩展到具有一个被动关节的N自由度平面欠驱动柔性机器人.     

柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模

柔性关节柔性连杆机械臂是典型的非线性、强耦合、欠驱动系统,其控制难度高.对于这类系统,选择合适的动力学模型进行控制器设计对于提高控制性能是非常有帮助的.为此,研究了具有柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模问题,并提出了一种改进的建模方法.在该方法中,连接柔性连杆的柔性关节首先被简化为刚性关节和柔性连杆的弹性约束边界.然后,根据结构动力学理论、哈密顿原理和假设模态法建立系统的刚柔耦合动力学方程.相较于将柔性关节简化为刚性关节和扭簧的传统处理方式,所采用的简化方式一方面可以降低系统的自由度,另一方面可以得到更适合控制器设计的动力学模型.最后,通过数值仿真验证了本文方法的有效性和优势.     

垂直三连杆欠驱动机械臂通用控制策略设计

本文针对一类含单一欠驱动关节的垂直三连杆欠驱动机械臂提出一种基于振荡衰减轨迹的通用控制策略. 与传统的分区控制策略相比, 本文控制策略无需采用分区方式就能快速地实现将机械臂末端点由垂直向下初始位 置开始移动, 并最终稳定在垂直向上目标位置的控制目标. 首先, 根据驱动连杆的初始和目标状态, 为驱动连杆规划 含可调参数的振荡衰减轨迹. 该轨迹能够在一定调节时间内将驱动连杆直接由初始状态移动至目标状态. 基于连 杆状态间的耦合关系, 利用粒子群优化算法优化轨迹参数使欠驱动连杆在相同调节时间内也运动至目标状态. 接 着, 利用滑模方法设计跟踪控制器使驱动连杆跟踪优化后的振荡衰减轨迹, 这样, 系统末端点将由初始位置移动至 目标位置. 进一步利用极点配置方法设计镇定控制器克服重力的作用将末端点稳定在目标位置. 最后, 通过仿真实 验验证所提控制策略的有效性.     

Adaptive Interconnection and Damping Assignment Passivity Based Control for Underactuated Mechanical Systems

In this paper, we present two adaptive control approaches to handle uncertainties caused by parametric and modeling errors in a class of nonlinear systems with uncertainties. The methods use the Port-controlled Hamiltonian (PCH) modelling framework and the interconnection and damping assignment passivity-based control (IDA-PBC) control design methodology being the most effectively applicable method to such models. The methods explore an extension on the classical IDA-PBC by adopting the state-transformation, yielding a dynamic state-feedback controller that asymptotically stabilizes a class of underactuated mechanical systems and preserves the PCH structure of the augmented closed-loop system. The results are applied to the underactuated mechanical systems that are a class of mechanical systems with broad applications and are more interesting as well as challenging control problems within this context. The results are illustrated with numerical simulations applied to two underactuated robotic systems; the Acrobot and non-prehensile planar rolling robotic (disk-on-disk) systems.

     

欠驱动两足步行机器人研究现状

针对欠驱动两足步行机器人的研究现状与发展趋势进行了探讨。首先,总结了被动行走和踝关节欠驱动两足机器人的研究现状,介绍了欠驱动两足步行机器人的基本研究方法,包括问题描述、步态规划、运动控制和稳定性判定等,并对欠驱动两足机器人需要进一步研究的问题和发展方向进行深入研究,最终目标是将欠驱动控制策略应用于两足步行机器人的行走过程控制,以提高其运动性能。     

一类欠驱动机械系统的动态及其稳定控制

Abstract The control of underactuated mechanical systems is very complex for the loss of its control inputs. The model of underactuated mechanical systems in a potential field is built with Lagrangian method and its structural properties are analyzed in detail. A stable control approach is proposed for the class of underactuated mechanical systems. This approach is applied to an unde ractuated double-pendulum-type overhead crane and the simulation results illustrate the correctness of dynamics analysis and validity of the proposed control algorithm.     

Dynamics and control of a class of underactuated mechanical systems

This paper presents a theoretical framework for the dynamics and control of underactuated mechanical systems, defined as systems with fewer inputs than degrees of freedom. Control system formulation of underactuated mechanical systems is addressed and a class of underactuated systems characterized by nonintegrable dynamics relations is identified. Controllability and stabilizability results are derived for this class of underactuated systems. Examples are included to illustrate the results; these examples are of underactuated mechanical systems that are not linearly controllable or smoothly stabilizable     

Dynamics and control of underactuated manipulation systems: A discrete-time approach

This article contains a discussion on the application of nonlinear multi-rate path planning and digital control methods to underactuated systems. Furthermore, a discretization method based on sensitivity functions is proposed.     

Control of underactuated robot manipulators using switching computed torque method: GA based approach

A new concept for controlling of underactuated robot manipulators is presented by using switching computed torque method. One fundamental feature of the present approach is to use the partly stable controllers (PSCs) in order to fulfill the ultimate control objective. Dynamic model of an underactuated robot system is directly analyzed to synthesize partly stable, computed torque controllers without performing rigorous linearizations or any other deformation methods to the original nonlinear system. Here, we use genetic algorithms (GAs) to employ the optimum control action for a given time frame with the available set of elemental controllers, depending on which links or state variables are controlled, i.e. the selection of optimum switching sequence of the control actions. Two underactuated robot manipulators are taken into consideration so as to illustrate the design procedure. Simulation results show the effectiveness of the proposed method. This basic concept has led authors to explore a vast research area on controlling underactuated manipulators.     

多飞行机器人吊运系统研究进展及挑战

多飞行机器人吊运系统是指由多个旋翼飞行机器人、吊绳及单个悬挂负载共同构成的具有空中操作能力的一类新型机电系统,具有灵活性强、地域可达性好、运输便捷、载荷能力强等显著优点.多飞行机器人吊运系统应用广泛,但是其建模与控制还存在诸多挑战.旋翼飞行机器人自身是一种复杂的欠驱动非线性系统,随着吊绳和负载的引入,系统的耦合性、欠驱动特性和非线性也会随之增加.为了全面对多飞行机器人吊运系统的研究进行综述,首先介绍了多飞行机器人吊运系统的常见构型,并对比分析了其优缺点;其次,从动力学建模、协调控制、实验三个方面介绍了多飞行机器人吊运系统的研究现状与挑战;最后,凝练了现存的关键科学问题,对其潜在的应用领域和未来的研究工作进行了探讨与展望.     

A brief review of dynamics and control of underactuated biped robots

Humans as bipeds enjoy certain advantages over other terrestrial systems, which motivate us to study and develop biped robots. Underactuated biped robots adopt the energy efficient gait of the biological counterparts and passive walkers. However, the control design for such robots is challenging due to lesser controllable joints, non-linear hybrid system dynamics and the goal of utilizing the natural dynamics. This paper summarizes various designs, models and control strategies used to enable stable walking and running for the underactuated biped robots. It gives a brief about how the mechanism of such bipeds evolved to incorporate the design variations which significantly improved the system performance. The few basic mathematical models which are used to simulate, analyze and predict the system dynamics and test control designs, are described, highlighting the difference in walking and running models. An introduction to the various stability criteria and control methods, successful in enabling stable walking for the robots on flat or uneven terrains, is provided. This paper gives a brief of the significant achievements in this field and ends with the highlights of the abilities inherent to humans but lacking in underactuated bipeds, and adopting or improving which should be the focus of the future research.