具有外部扰动及不确定载荷参数双臂空间机器人的拟增广鲁棒与自适应混合控制

研究载体位置与姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人系统的控制问题。为了保持系统控制方程关于惯性参数的线性性质,漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程被描述为欠驱动形式。对系统的动力学分析表明,基于增广变量法所得到的系统增广广义Jacobi矩阵亦可以表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上,针对系统既存在有外部扰动且两机械臂末端爪手所持载荷参数又具有不确定性的复杂情况,设计了漂浮基双臂空间机器人惯性空间轨迹跟踪的拟增广鲁棒与自适应混合控制方案。与自适应控制方法相比,所提控制方案化大量积分运算为简单的加减乘除四则运算,因此大大减少了计算量,非常适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统的实时、在线应用。仿真运算证实了方法的有效性。     

不同重力环境下的柔性关节空间机械臂自适应鲁棒控制

研究了柔性关节空间机器人在不同重力环境下的轨迹跟踪控制。首先建立了地面重力环境下和空间微重力环境下的柔性关节机器人模型,这两个模型均考虑了摩擦带来的影响,然后提出一种基于奇异摄动理论的自适应鲁棒控制柔性关节空间机械臂的方法。该方法为被控对象中的重力项设计了自适应律来实时估计补偿,并加入鲁棒项对逼近误差和其它干扰项进行补偿。用该方法设计了控制器系统,并对其进行了稳定性分析和仿真研究。仿真结果表明,该控制器可以有效消除重力环境变化带来的影响,也可以有效抑制柔性关节引起的系统高频谐振等问题,具有很好的跟踪效果,对柔性关节空间机器人的轨迹跟踪控制具有重要的工程应用价值。     

力矩受限的柔性关节空间机器人的鲁棒模糊滑模控制

讨论了力矩受限情况下具有柔性关节、外部扰动和参数不确定的漂浮基空间机器人系统的动力学建模、运动控制和柔性振动抑制。利用拉格朗日方程和系统的动量、动量矩守恒关系建立系统动力学方程。并基于奇异摄动理论,将系统分解为独立时间尺度的慢变子系统和快变子系统。针对慢变子系统,设计了一种基于双曲正弦函数的鲁棒模糊滑模控制方法,该方法不需要知道系统的精确模型,能够补偿柔性关节带来的系统转角误差,实现空间机器人期望运动轨迹的渐进跟踪。双曲正弦函数的运用有效地降低了控制力矩的幅值,从而使得控制系统能够适应空间实际中力矩受限的情况。而针对快变子系统,设计了速度差值反馈控制方法以抑制柔性关节引起的系统振动,保证系统的稳定性。仿真结果证明了该文所提出的混合控制方法的有效性。     

姿态受控柔性关节双臂空间机器人的抗力矩饱和控制与振动抑制

研究了漂浮基柔性关节双臂空间机器人载体姿态与机械臂关节协调定位的抗力矩饱和控制与柔性振动抑制问题。利用系统动量守恒定律及拉格朗日方法,给出载体姿态受控柔性关节双臂空间机器人的完全驱动式动力学方程。结合柔性补偿及奇异摄动技术,推导系统相应的奇异摄动模型。为实现双臂各关节柔性振动的有效抑制,针对快变子系统提出一种力矩微分状态反馈控制策略;为避免空间机器人实际载体姿态控制系统及关节驱动电机出现控制饱和问题,针对慢变子系统提出一种姿态、关节协调定位且基于力矩主动约束设计的抗力矩饱和控制方法。数值仿真结果显示,所提控制方案不仅可以完成对系统载体姿态、双臂各关节的精确定位,而且还能有效抑制关节的柔性振动、限制实际控制力矩的输出幅值。     

漂浮基双臂空间机器人惯性空间轨迹跟踪的拟增广自适应控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人系统的自适应控制问题。为了克服空间机器人系统动量及动量矩守恒关系的引入,使得系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系,给控制系统设计带来的困难,漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程被表示为欠驱动形式。其优点在于,相应的控制系统状态方程保持了惯常的关于系统惯性参数的线性性质。以此为基础,并借助于增广变量法,通过恰当地虚拟扩展系统的控制输入与输出,成功地克服了漂浮基双臂空间机器人系统自适应控制方案设计的难点,针对双臂空间机器人两个末端抓手持有载荷参数均未知的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人两个末端抓手惯性空间轨迹跟踪的拟增广自适应控制方案。通过系统数值仿真,证实了上述控制方法的有效性。     

基于奇异摄动法的FFFSR全局滑模跟踪控制及ESO振动抑制

针对存在参数不确定性和有界干扰的情况,讨论了自由漂浮柔性空间机器人(FFFSR)关节轨迹跟踪控制与柔性振动主动抑制的问题。利用奇异摄动法将系统分解为关节轨迹跟踪的慢变子系统和描述柔性振动的快变子系统,进而提出含慢、快变控制项的组合控制器;设计一种改进的全局滑模函数,利用低通滤波器抑制滑模抖振,实现全局鲁棒、快速收敛的关节轨迹跟踪;对于快变子系统,采用扩张状态观测器(ESO)对不易测量的柔性模态坐标导数和不确定扰动进行估计,并结合LQR方法,对柔性振动进行主动抑制。数值仿真表明,该组合控制器可以在有效抑制柔性振动的同时实现对期望关节轨迹的稳定跟踪。     

基于标称计算力矩控制器的双臂空间机器人惯性空间轨迹跟踪的模糊自适应补偿控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人载体姿态与末端爪手惯性空间轨迹协调运动的控制问题。利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,分析、建立了漂浮基双臂空间机器人系统完全能控形式的系统动力学方程及运动Jacobi关系。以此为基础,针对双臂空间机器人两个末端爪手所持载荷参数未知的情况,设计了一种基于标称计算力矩控制器附加模糊自适应补偿控制器的复合控制方案;即通过模糊自适应补偿控制器来弥补系统参数未知对标称计算力矩控制器控制精度的影响,以确保存在未知系统参数情况下整个闭环控制系统的渐近稳定性。该文提出的控制方案能够有效地克服系统未知参数的影响,控制漂浮基双臂空间机器人载体姿态与末端爪手协调地完成惯性空间的期望轨迹运动,并具有不需要测量和反馈双臂空间机器人载体的位置、移动速度、移动加速度,同时也不要求系统动力学方程关于系统惯性参数呈线性函数关系的显著优点。通过系统数值仿真证实了方法的有效性。     

柔性空间机械臂基于奇异摄动法的鲁棒跟踪控制和柔性振动主动控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,具有不确定参数的漂浮基柔性空间机械臂关节轨迹跟踪鲁棒控制和柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日方程和假设模态法并结合系统线动量守恒关系,对柔性空间机械臂系统进行动力学分析,发现所得到的动力学方程仍关于一组组合惯性参数保持惯常的线性函数关系。以此为基础,使用奇异摄动法和两种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制器和振动控制器可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,使用全局最优控制来对柔性杆件的振动进行主动抑制。同时,针对系统参数不确定情况下,设计了鲁棒控制器来保证慢变子系统关节轨迹的跟踪。系统数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。     

双臂空间机器人协调运动的模糊基函数网络控制

该文研究了在本体位置不受控、姿态受控的情况下,漂浮基双臂空间机器人系统惯性空间协调运动的轨迹跟踪问题。针对存在外部扰动和未知系统惯性参数的情况,设计了一种基于模糊基函数网络的自适应调节控制方案。用模糊基函数网络对双臂空间机器人系统建模,利用鲁棒技术处理建模误差和外部扰动在内的不确定性。所提控制方案的特点是:不需要动力学方程中的惯性参数符合线性规律,也无需预知系统的惯性参数;同时可以利用学习规则在线自适应调节模糊基函数网络的所有权值和参数,因此控制方案是灵活的。该文稳定性分析证明了控制方案的全局稳定性和良好的轨迹跟踪性能。仿真算例表明了该方案能有效地控制双臂空间机器人的本体姿态和末端爪手协调地跟踪期望的运动轨迹。     

飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,存在外部扰动漂浮基两杆柔性空间机械臂的基于速度观测器的增广自适应运动控制与振动最优控制问题。选择合适的联体坐标系,利用Lagrange方法并结合动量守恒原理建立了飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程。利用奇异摄动法,将两杆柔性空间机械臂系统分解为一个关于载体姿态、关节轨迹跟踪的慢变子系统与一个描述柔性杆振动的快变子系统。以此为基础,提出了一个包含慢变控制项与快变控制项的复合控制器。利用自适应滑模观测器得到慢变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量设计得到系统的增广自适应慢变控制律来实现关节轨迹的跟踪。利用线性观测器得到快变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量并运用线性系统的最优控制理论得到了系统的快变控制律来实现柔性杆振动最优控制。系统的数值仿真证实了方法的有效性。该控制方案不需直接测量关节角速度、关节角加速度与柔性振动模态坐标导数以及漂浮基的位置、移动速度、移动加速度。     

双臂空间机器人惯性空间轨迹跟踪的鲁棒混合自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控情况下,漂浮基双臂空间机器人系统跟踪惯性空间轨迹的控制问题。为了克服空间机器人系统控制方程关于惯性参数的非线性性质,空间机器人被表示为欠驱动系统,保持了系统动力学方程关于惯性参数的线性关系;对系统的运动学分析表明,联系机械臂末端抓手运动线速度与机器人关节铰速度的Jacobi关系也可以通过增广向量的处理,得到保持惯性参数线性关系的增广广义Jacobi关系。基于以上结果,针对系统参数不确定的情况下,设计了自由漂浮双臂空间机器人跟踪惯性空间期望轨迹的鲁棒混合自适应控制方案。由于在上述系统运动学、动力学分析中耦合了系统动量守恒关系,所提出的控制方案具有不需要测量、反馈机器人载体位置、移动速度、加速度的优点;同时,由于上述控制方案仅在参考速度、加速度的计算中采取了参数调节方式,而在控制部分对不确定参数采用了保持鲁棒性的方法,有效地减少了计算量,有助于缓解空间机器人机载计算机运算能力有限的矛盾。通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,验证了算法的有效性。     

关节柔性的漂浮基空间机器人基于奇异摄动法的轨迹跟踪非奇异模糊Terminal滑模控制及柔性振动抑制

如果在漂浮基空间机器人系统动力学建模和控制方法设计过程中忽略关节柔性的存在,其控制系统的精度和稳定性将受到极大影响。以考虑关节柔性、系统参数不确定的漂浮基空间机器人系统为研究对象,讨论了其动力学建模过程、运动轨迹跟踪控制方案设计及柔性振动振动抑制。结合拉格朗日第二类方法并结合系统动量、动量矩守恒关系,分析、建立了系统动力学方程。以此为基础,为了同时实现空间机器人运动轨迹的渐近跟踪和抑制由关节柔性引起的系统弹性振动,采用奇异摄动理论的双时间刻度分解,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢时标子系统和表示系统柔性运动部分的快时标子系统。针对慢时标子系统设计了非奇异模糊Terminal滑模控制方案。该控制方案采用非奇异Terminal滑模面,并基于模糊逻辑系统自适应调整控制律的切换项,不但克服了在设计中需要知道系统不确定性的上界的限制,又消除了滑模变结构控制器抖振的缺点。针对快时标子系统,采用速度差值反馈控制律来抑制关节柔性引起的系统弹性振动,保证系统的稳定性。仿真时以平面两刚性臂、两柔性关节的漂浮基空间机器人系统为例证明了所提出方法的有效性。     

参数不确定与有界干扰自由飘浮柔性空间机械臂基于速度观测器的奇异摄动鲁棒控制及振动抑制

讨论载体位置、姿态均不受控情况下系统参数不确定与有界干扰自由漂浮柔性空间机械臂基于速度观测器的奇异摄动鲁棒控制及振动抑制问题。利用拉格朗日方程结合动量守恒原理获得自由飘浮柔性空间机械臂系统动力学方程;用奇异摄动法将柔性空间机械臂系统分解为关于关节轨迹跟踪的慢变子系统与描述柔性杆件振动的快变子系统。以此为基础,提出含慢、快变控制项的复合控制器。将动态滑模观测器与鲁棒控制结合,获得系统慢变控制力矩实现关节轨迹跟踪。对快变子系统基于线性观测器及线性系统最优控制理论获得系统快变控制力矩实现柔性杆振动抑制。并数值仿真证实方法的有效性。该控制方案仅需精确的载体姿态、关节角位置及柔性振动模态坐标反馈,而无需测量载体姿态角速度、关节角速度及角加速度、柔性振动模态坐标导数及漂浮基位置、移动速度、移动加速度。     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的拟增广自适应控制及柔性振动实时主动抑制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂系统关节运动的拟增广自适应控制和柔性振动实时主动抑制问题。此类机器人系统的特点在于:结合系统动量及动量矩守恒关系得到的完全能控形式的系统动力学方程,关于系统惯性参数不符合惯常的线性函数关系,因此地面机器人的控制方法在此难以直接推广应用。为了克服上述难点,我们仅将系统动量守恒关系耦合到系统动力学方程当中,而不耦合系统动量矩守恒关系,结果得到一组欠驱动形式的系统动力学方程。其优点在于,系统动力学方程关于一组组合惯性参数保持惯常的线性函数关系。以此为基础,设计了具有未知参数柔性空间机械臂关节轨迹跟踪的拟增广自适应控制方案。并根据柔性子系统的动力学特性,设计了一个基于反馈的自适应控制方案来对柔性杆的振动进行快速实时的抑制。所提出的控制方案还具有不需要测量、反馈载体位置、移动速度和移动加速度的显著优点。系统的数值仿真,证实了方法的有效性。     

柔性基、柔性铰空间机器人基于状态观测的改进模糊免疫混合控制及抑振研究

研究了在有界外部扰动、基座姿态控制输入比例不确定影响下,柔性基、柔性铰空间机器人系统的刚性轨迹跟踪控制及柔性振动抑制问题。结合系统动量守恒原理、拉格朗日法并应用柔性补偿与奇异摄动技术,建立了柔性基、柔性铰空间机器人的奇异摄动动力学方程。为消除系统外部扰动、不确定控制输入比例对空间机器人轨迹跟踪精度的影响,在传统免疫控制算法基础上引入线性速度观测器及模糊控制器,提出一种基座姿态与机械臂各关节协调运动且不依赖于被控慢变子系统模型的改进模糊免疫混合控制律。为主动抑制基座、关节所产生的双重柔性振动,针对快变子系统提出一种基于线性状态观测器的最优控制律。综合上述两个控制律,得到了一种改进模糊免疫混合控制及抑振方案。所提控制方案无需在实时控制过程中对空间机器人的相关速度信号进行测量与反馈,并对系统不确定性保持有很强的鲁棒性。仿真实验结果证实了方案在系统刚、柔性运动控制上的有效性。     

柔性关节空间机械臂奇异摄动自适应PD控制仿真研究

建立了柔性关节机械臂空间漂浮和地面调试两阶段的动力学模型,并为柔性关节机械臂末端轨迹跟踪控制设计了基于奇异摄动的自适应PD控制算法,实现了对机械臂末端位置跟踪在空间漂浮和地面调试两阶段的控制。用奇异摄动法实现了将高阶系统降阶为两个低阶系统,即快子系统和慢子系统,再针对两子系统分别设计控制器。对控制系统进行了稳定性分析和仿真验证,结果表明设计的控制算法既可以实现在地面装调时的轨迹跟踪控制,也可以较好地实现空间漂浮状态下的轨迹跟踪控制。     

柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节;由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够;为此讨论了参数不确定情况下柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动控制方案设计和以及臂、关节双重柔性振动的分阶主动抑制问题。依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型;以此为基础;针对空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动技术将整个系统分解成独立时间尺度的电机力矩动力子系统和柔性臂子系统;针对电机力矩动力子系统,设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动;针对柔性臂子系统,提出了一种基于虚拟力概念的自适应模糊全局滑模控制方案,由于运用了虚拟力的概念,从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制柔性臂柔性振动的控制目标。计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。     

基于柔性补偿的带柔性铰空间机器人鲁棒控制

研究了载体位姿均不受控制的漂浮基带柔性铰空间机器人工作空间轨迹跟踪的鲁棒控制问题。利用系统动量、动量矩守恒关系及拉格朗日方法,导出了系统的动力学方程。考虑到空间机器人各关节铰往往具有较强的柔性,引入了一种关节柔性补偿控制器,以较好地补偿关节柔性对系统控制精度所带来的影响。之后结合奇异摄动技术,针对系统惯性参数存在不确定的复杂情况,提出了一种空间机器人工作空间期望运动轨迹跟踪的鲁棒控制方案。通过对一个平面带柔性铰空间机器人系统的数值仿真运算,证实了上述方法的有效性。     

姿态受控柔性臂空间机器人的自适应神经网络容错控制及残振抑制

针对执行器发生部分失效故障的漂浮基姿态受控柔性臂空间机器人系统,研究了执行器故障的容错控制及柔性臂杆残余振动的主动抑制。结合假设模态法、线动量守恒定理和第二类拉格朗日方程建立了系统的动力学微分方程。基于奇异摄动理论将系统分解为一个表征载体姿态与关节轨迹跟踪的慢变子系统和一个表征柔性臂杆残余振动的快变子系统;据此设计了由慢变子系统的自适应神经网络容错控制器与快变子系统的线性二次型最优调节器组成的复合控制器;其中,慢变子系统的容错控制器使得系统对执行器故障不敏感,保证了跟踪误差的渐进收敛;快变子系统的最优调节器可以有效地抑制柔性臂杆引起的残余振动,减少能量损耗。对比数值仿真校验了理论推导的正确性与复合控制策略的可行性。     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的分块神经网络控制及柔性振动模糊控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,漂浮基柔性空间机械臂关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。据此,设计了柔性空间机械臂系统载体姿态及机械臂关节铰协调运动的组合控制器。针对慢变子系统——柔性空间机械臂的刚性运动,设计了分块神经网络控制器,以完成系统参数未知情况下关节空间协调运动的轨迹跟踪;而对于快变子系统——柔性臂的振动,则设计了模糊控制器来主动抑制柔性杆的振动。数值仿真证实了提出方法的有效性。