地面和空间机械臂的动力学等效条件与控制相似律

针对如何在地面机械臂上有效验证空间机械臂控制律的问题,本文研究空间机械臂和地面机械臂系统间的动力学等效条件和控制相似律.首先,基于量纲分析研究地面机械臂和空间机械臂之间的动力学等效条件,并基于等效条件设计地面机械臂系统.其次,基于量纲分析建立空间和地面机械臂系统间的控制相似律,设计的空间机械臂控制律通过控制相似律将可以转化为地面机械臂相应的控制律.最后,考虑地面机械臂基座往往无法和空间机械臂的基座航天器一样进行全6自由度运动,以及地面机械臂运动时受到重力影响,使得地面机械臂不再满足动力学等效条件,基于反馈线性化技术设计一种地面机械臂的动力学误差补偿策略,使得地面机械臂和空间机械臂具有相似的闭环动力学行为.这样,空间机械臂的控制律可以在设计的地面机械臂上进行验证,仿真中以在地面机械臂上验证空间机械臂的PID控制器为例说明所提方法的有效性.     

基于神经网络机械臂自适应控制的研究与实现

提出了一种基于神经网络的机械臂自适应控制方法,该方法主要利用DIRECT模型,采用八叉树算法构建基于空间的神经网络,避免建立复杂的机械臂运动学模型,通过随机映射的方法建立机械臂与运动空间的关系,实现了自适应轨迹规划.仿真实验结果表明,所提出的机械臂自适应控制方法更容易实现.     

多关节机械臂运动控制中的重力因素分析

本研究旨在探讨重力给空间机械臂运动控制带来的影响。在简要介绍空间机械臂的相关内容的前提下,结合双关节旋转空间机械臂,完成空间机械臂动力学模型的构建,并通过仿真研究基于动力学设计和轨迹跟踪控制的空间机械臂运动控制系统,希望能够给研究空间机械臂运动控制的人员供参考和帮助。     

一种适合嵌入式系统实现的机构臂位置逆解算法与实验研究

提出一种适合嵌入式系统实现的空间串联机械臂位置逆解算法，对冗余及非冗余串联型机械臂问题均有效，建立过程规范简单，很容易用于机械臂的嵌入式控制器开发而且对嵌入式控制器的资源占用很少．文中列出部分算法仿真结果及基于多款微控制器平台测试获得的实验数据，对基于这种方法进行机械臂控制开发嵌入式控制系统具有重要指导意义．     

基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法

针对目前柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法忽略了不同重力影响下的机械臂驱动力变化,导致柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制效果较差的问题,提出了基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法。基于构建PMSM驱动数学模型,采用PMSM的矢量控制方法,分析驱动力矩矢量。根据驱动力矩矢量分析结果,分析不同重力环境下有、无摩擦时的驱动力矩。构建柔性关节模型,分析其在不同重力环境下遇到的重力释放问题,使用自适应反演滑膜控制方法,设计控制率,保证机械臂能够按照既定的方向运动,使机械臂具有鲁棒性。根据柔性关节空间机械臂动力学特性,分析不同重力环境下基于PMSM驱动力矩,确定重力项是随之发生改变的。设计控制器,构建动力学模型,确保空间阶段能够最大限度跟踪运动轨迹。实验结果表明,所提方法X轴、Y轴的末端跟踪结果均与实际运动轨迹一致,误差为0。关节控制力矩在时间为3s时,出现了最大为0.5N.m的误差,说明所提方法的跟踪控制效果较好。     

一种基于多视角图像的目标物体定位方法

在遥操作机械臂时,为了能有一个更加友好的人机交互界面,往往需要在控制界面中构建一个虚拟的机械臂以及机械臂工作空间,所以,在虚拟工作空间中标示出目标物体与虚拟机械臂的相对位置,给操作人员一个直观的提示,是虚拟工作空间重构的关键问题.针对机械臂遥操作,提出了一种基于不同视角图像的快速高效的定位方法,该方法根据目标物体在多个不同视角图像中的位置,计算出目标物体在实际工作空间中的位置,从而在虚拟机械臂工作空间中标示出目标物体与虚拟机械臂的相对位置.最后,构建了机械臂遥操作实物系统,验证了该方法的正确性.     

考虑重力影响的空间机械臂轨迹跟踪滑模控制

针对空间机械臂由地面装调到空间应用过程中重力环境发生变化的问题,使用滑模控制器对空间机械臂进行控制,通过将配置特殊的非线性结构-fal函数引入趋近律的设计中,提出一种新的基于趋近律的滑模控制方法,并基于李亚普诺夫理论证明了闭环系统的渐近稳定性。仿真结果表明该方法能够很好地完成不同重力环境下机械臂的轨迹跟踪控制任务,并具有较强的鲁棒性。     

线驱动柔性机械臂的运动学分析

与传统的由连杆和关节构成的刚性机械臂不同,设计的柔性机械臂无任何刚性结构,外围驱动装置通过嵌在机械臂内部的拉线与柔性机械臂相联系,控制拉线长度的变化量即可调整柔性机械臂末端执行器的位置和姿态。柔性机械臂由弹性材料制作而成,拥有无穷多个自由度,在确保了高安全性、高灵活性的同时,随之也带来运动学和动力学建模复杂、控制难度大等问题。基于分段常曲率的假设,提出了一种运动学建模方法,通过建立3个空间,即驱动空间、虚拟关节空间、任务空间,以及两个映射,即驱动空间-虚拟关节空间映射、虚拟关节空间-任务空间映射,将拉线长度的变化量和柔性机械臂末端执行器的位置和姿态关联起来。仿真结果表明,提出的线驱动柔性机械臂的运动学模型,能较为真实地模拟柔性机械臂在拉线长度变化时的形态,计算末端执行器的位置和姿态。     

基于模糊控制系统的机械臂自适应控制算法设计

针对现有机械臂控制算法,在轨迹控制和精度补偿方面存在的不足,设计了一种基于模糊补偿系统的自适应控制算法。先在笛卡尔空间内分析了机械臂的空间动力学运动过程,并得出机械臂运动中的最优力矩值,构建模糊控制规则并设定模糊子集;对经典模糊理论进行优化,引入可变论域思维在机械臂运动过程中,系统会实时反馈末端执行器行动轨迹,并实施动态化补偿;基于自适应算法对可变论域模糊控制器进行二次优化,修正模糊规则并校正模型的控制量参数,提升和改善整个机械臂系统的控制精度。实验结果显示,模糊补充自适应控制算法在多关节和多连杆机械臂的角度控制和位移控制精度方面有较大的优势,同时各关节和连杆的运动相应时间仅为0.27s和0.20s。     

漂浮基空间机械臂分解运动控制的增广自适应算法

本文讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基两杆空间机械臂系统的逆运动学问题 ,推导了系统的运动学、动力学方程．分析表明,结合系统动量守恒及动量矩守恒关系得到 的系统广义Jacobi关系为系统惯性参数的非线性函数．本文证明了,借助于增广变量法可以 将增广广义Jacobi矩阵表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数．并在此基础上,给出了 系统参数未知时由空间机械臂末端惯性空间期望轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速 度的增广自适应控制算法．仿真运算,证实了方法的有效性．     

空间机械臂本体与末端抓手协调运动的自适应控制方法

讨论了载体位置不受控制的漂浮基空间机械臂本体与末端抓手协调运动的自适应控制问题. 对系统的运动学、动力学分析表明, 结合系统动量守恒关系得到的系统动力学方程及协调运动的增广广义Jacobi矩阵可以表示为适当选择的组合惯性参数的线性函数. 以此为基础, 对于系统存在未知参数的情况, 设计了本体姿态与机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的自适应控制方案. 上述控制方案的显著优点在于: 不需要测量、反馈飞行器本体的位置、移动速度及移动加速度. 仿真运算, 证实了上述控制方案的有效性.     

参数不确定空间机械臂系统的鲁棒自适应混合控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题.对系统运动学、动力学的分析结果表明,结合系统动量守恒及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系以及系统的动力学方程是系统惯性参数的非线性函数.证明了借助于增广变量法可以将系统的增广广义Jacobi矩阵及系统动力学方程表示为一组适当选择的(组合)惯性参数的线性函数.以此为基础,针对系统惯性参数不确定的情况,设计了空间机械臂末端抓手跟踪惯性空间期望轨迹的鲁棒自适应混合控制方案.仿真运算结果证实了方法的有效性.     

自由飞行空间机器人系统的协调运动控制

考虑由载体和机械臂组成的空间机器人系统的协调控制问题,提出了一种新的协调 控制策略.该策略首先利用简单的变结构控制器粗略控制载体的运动,进而设计机械臂控制 器以保证手端精确跟踪其期望的运动轨迹.应用该策略分别对手端自由运动和受限运动设计 了相应的控制器,并对两杆平面空间机器人系统进行了仿真,证实了控制策略的有效性.     

Position/vibration control of two-degree-of-freedom arms having one flexible link with artificial pneumatic muscle actuators

A manipulator with a light and thus flexible link would be advantageous over a rigid link in the sense that it is physically safer when it comes into contact with its environment than a manipulator with a rigid and thus heavy link, even though it is harder for a flexible link manipulator to be robustly controlled. On the other hand, if an actuator can deliver enough force while maintaining proper compliance, it would be advantageous for the sake of safety. An artificial pneumatic muscle-type actuator is an adequate choice in this case. In this work, position control problem of a two-degree-of-freedom arm system having a flexible second link with artificial pneumatic muscle-type actuators is addressed. A composite controller design method is proposed in the framework of the singular perturbation method. Various robust control schemes are designed in order to meet with payload variation, parameter uncertainty, unmodeled vibration mode, actuator dynamics both in the slow and the fast subsystems.     

Adaptive control of robot manipulator using fuzzy compensator

This paper presents two kinds of adaptive control schemes for robot manipulator which has the parametric uncertainties. In order to compensate these uncertainties, we use the FLS (fuzzy logic system) that has the capability to approximate any nonlinear function over the compact input space. In the proposed control schemes, we need not derive the linear formulation of robot dynamic equation and tune the parameters. We also suggest the robust adaptive control laws in all proposed schemes for decreasing the effect of approximation error. To reduce the number of fuzzy rules of the FLS, we consider the properties of robot dynamics and the decomposition of the uncertainty function. The proposed controllers are robust not only to the structured uncertainty such as payload parameter, but also to the unstructured one such as friction model and disturbance. The validity of the control scheme is shown by computer simulations of a two-link planar robot manipulator     

基于小波逼近的空间机械臂非完整运动最优规划的遗传算法

本文讨论了空间机械臂非完整运动规划问题．将空间机械臂非完整运动规划问题转化 为非线性系统最优控制问题．在控制算法中用小波函数逼近控制输入规律．提出了空间机械 臂非完整运动规划最优控制的遗传算法．数值仿真表明,小波逼近和遗传算法联合求解最优 控制问题是有效的．     

Query based model learning and stable tracking of a robot arm using radial basis function network

In the context of a robot manipulator, a generalized neural emulator over the complete workspace is very difficult to obtain because of dimensionally insufficient training data. A query based learning algorithm is proposed in this paper that can generate new examples where control inputs are independent of states of the system. This algorithm is centered around the concept of network inversion using an extended Kalman filtering based algorithm. This is a novel idea since robot manipulator is an open loop unstable system and generation of control input independent of state is a research issue for neural model identification. Two trajectory independent stable control schemes have been designed using the neural emulator. One of the control schemes uses forward-inverse-modeling approach to update the controller parameters adaptively following Lyapunov function synthesis technique. The proposed scheme is trajectory independent unlike the back-propagation scheme. The second type of controller predicts the minimum variance estimate of control action using recall process (network inversion) and the control law is derived following a Lyapunov function synthesis approach so that the closed loop system consisting of controller and neural emulator remains stable. The simulation experiments show that the model validation approach is efficient and the proposed control schemes guarantee stable accurate tracking.     

基于C/S结构的空间机械臂控制系统软件架构设计

为了获得性能优越、实用性强的空间机械臂控制软件,提出了一种C/S结构下基于多线程和循环队列的空间机械臂控制系统软件架构,并详细介绍了各线程及队列的实现过程。在分析空间机械臂控制软件的特点和功能需求的基础上,按照横向分块、纵向分层的原则,将机械臂控制软件的各项功能合理分配到四个并行线程中,借助两个循环队列构建缓存机制,以提高控制系统的数据处理能力并减少不必要的等待时间。四个线程及两个循环队列之间相互通信,协同工作。实验结果表明,该架构能够以较小的控制延迟实现机械臂的运动控制,架构性能满足实际控制需求,证明了方案的有效性和可行性。     

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.