约束机器人的自适应控制

利用微分几何中的等距嵌入理论,本义给出约束机器人的一种新动力学方程及对应的自适应控制算法。这种控制算法避免了回归矩阵的求取,因而适时性较强。在假设条件PE满足的情况下,此算法不仅保证机器人的关节轨迹误差渐近趋于零,且保证约束力误差渐近趋于零。     

带滑移铰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制的带滑移铰空间机器人的控制问题。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形式的机器人系统,其优点在于保持了系统动力学方程关于惯性参数的线性性质。对系统的运动学分析表明,联系机械手末端运动速度与机器人关节角速度的增广广义Jacobi关系,亦可以表示为一组惯性参数的线性函数。以此为基础,针对系统参数不确定的情况,设计了空间机器人跟踪惯性空间期望运动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,提到的控制方案具有不需要测量、反馈空间机器人载体位置及移动的速度、加速度的优点;此外,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,有助于缓解机载计算机运算能力有限的矛盾。仿真运算,证实了方法的有效性。     

时间延迟下双臂空间机器人工作空间轨迹跟踪的改进控制方法

研究了载体姿态受控、位置不受控制情况下, 具有时间延迟的漂浮基双臂空间机器人载体姿态与末端爪手工作空间协调运动的动力学建模与控制问题。利用系统动量守恒关系及Lagrange方法, 建立了漂浮基双臂空间机器人的系统动力学模型及运动Jacobi 关系。以此为基础, 考虑到系统存在时间延迟的复杂情况, 利用Taylor级数展开, 导出了适用于时间延迟情况下控制系统设计的数学模型。利用该模型, 提出了一种双臂空间机器人在时间延迟情况下的改进计算力矩控制方案。而后, 运用Lyapunov 第二类方法, 结合图形分析以及范数的方法证明了该控制系统的稳定性。数值仿真结果证实了该控制方案在系统存在时间延迟的情况下, 仍然可以有效地控制双臂空间机器人, 稳定地追踪工作空间的期望轨迹。     

一种绳牵引摄像机器人的运动控制策略与稳定性研究

绳牵引摄像机器人具有索单向受力、冗余驱动以及高速机动等特性,因而其稳定性问题的研究与解决是一个难题。现有的研究中,大多没有考虑摄像机器人的高速稳定运动特性及控制方法。为此,提出一种基于末端位置空间PD修正前馈控制规则保证摄像机器人的稳定运行。通过牛顿-欧拉法建立了末端执行器的动力学方程以及驱动系统的动力学模型;在此基础上得到了整个系统的动力学模型;在系统动力学模型的基础上,提出基于末端位置空间PD修正前馈控制规则的绳牵引摄像机器人跟踪控制策略,通过Lyapunov稳定性理论论证了控制策略的稳定性;通过数值算例说明了摄像机器人的稳定跟踪性能,并且验证了控制策略的有效性。     

执行器受限空间机器人的模糊神经网络控制

空间机器人关节执行器输出力矩幅值及幅值变化率受限的情况,是其在太空应用中不可避免要面临的实际问题。为此该文讨论了关节执行器输出力矩幅值及幅值率受限情况下参数未知空间机器人系统协调运动的动力学控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,推导了漂浮基空间机器人系统的动力学方程。以此为基础,针对关节执行器输出力矩幅值及幅值率受限的情况,设计了一种自适应模糊神经网络控制器,以使空间机器人系统的本体姿态和机械臂关节铰协调地跟踪各自在关节空间的期望运动轨迹。该控制方案由自适应模糊神经网络控制器及抗饱和参数自适应律构成。首先利用有限差分法将幅值率受限条件转化为幅值受限条件,并与该文预设的力矩受限条件比较以确定每个采样时刻的力矩动态受限范围;然后再通过设计一个抗饱和参数自适应律来确保执行器的输出力矩在动态受限范围内。基于Lyapunov稳定性理论证明了该控制器可确保控制系统是渐近稳定的。仿真对比实验证明了该控制方案的有效性。     

单轴机械臂系统的H∞控制及精细算法研究

针对机械臂系统在Hamilton体系下,给出一种有效的H∞控制策略和精细的数值计算方法。首先建立了系统的动力学方程,进而利用控制理论中针对扰动衰减问题的H∞控制策略对动力系统进行了控制研究。在数值模拟过程中,摒弃了传统的差分类计算方法,采用建立在线性系统的时程精细积分算法对状态方程及代数黎卡提方程进行了求解,最后通过数值例题说明了文中方法的有效性。     

基于部分反馈线性化的三杆体操机器人控制策略

针对复杂的非线性欠驱动三杆体操机器人系统,提出了一种基于部分反馈线性化的控制策略.首先,将三杆体操机器人的运动空间分为两个区域:摇起区和平衡区,然后,在摇起区利用部分反馈线性化设计摇起控制器,对第二杆与第三杆进行联动控制,确保欠驱动三杆体操机器人迅速摆起,并且摆起后第二杆和第三杆自然伸展;进入平衡区后,采用基于线性二次型调节器(LQR)的平衡控制器,将系统稳定在竖直向上的位置,实现系统控制目标.仿真结果验证了该控制策略的有效性.     

基于包装生产线的3-PUU并联机器人的动力学研究

目的 为了提高机器人在包装生产线上抓取、码放包装物品时的控制精度和稳定性,需要准确地了解机器人的动力学特性,对3-PUU并联机器人的动力学特性进行研究.方法 以现在常用的3-PUU型并联机器人为研究对象,介绍了其基本结构,运用达朗贝尔法对其动力学进行数学建模分析计算,然后建立机器人实体模型,导入Adams软件中进行仿真计算,并与在Matlab中编程计算得到的结果相比较.结果 得到了机器人的动力学方程,仿真得到机器人驱动滑块的位移、速度、加速度曲线,与Matlab编程计算得到的结果相吻合,且曲线平滑连续,无突变.结论 验证了数学模型的正确性,可以为机器人的电机选型及精确控制等提供理论基础.     

基于并联机器人的包装分拣系统设计

目的针对我国食品生产和包装存在的效率低、分拣精度不高等问题,基于并联机器人设计一种包装分拣控制系统。方法根据机器人自动分拣系统的结构,采用一种基于时间和工件位置的图像去重复算法,以去掉重复信息。为了提高抓取精度,基于PID算法设计一种位置跟踪控制器,能够判断物体位置并实时调整并联机器人末端执行器,以实现目标物体的动态跟踪和抓取。结合工业控制机和运动控制卡搭建控制系统,并进行实验研究。结果实验过程中最快分拣速度可达到120次/min,漏抓率为0,误抓率小于0.2%。结论所述控制系统具有较高的稳定性和准确性,可满足实时性要求。     

多自由度包装机器人人机交互控制方法

目的 为了在人机交互内容和形式复杂度较高,深度信息获取较为困难的背景下,解决多自由度包装机器人控制存在的控制鲁棒性较差问题,提出新的多自由度包装机器人人机交互控制方法.方法 利用Kinect传感器获取多自由度包装机器人信息,并以此为基础,通过信息熵方法计算人机交互复杂度,构建相应的人机交互控制体系,基于拉格朗日方程建立人机交互动力学模型,完成多自由度包装机器人人机交互信息深度获取;采用自适应模糊控制器控制多自由度包装机器人人机交互流程与界面,实现多自由度包装机器人人机交互的控制.选样六自由度包装机器人为实验对象,确定最佳自由参数,进行人工交互控制仿真实验.结果 实验结果显示,仿真实验中的多自由度包装机器人动作完成率平均值为89.6％,平均包装时间为1.542 min,控制鲁棒性较佳.结论 该控制方法大大提高了机器人控制的鲁棒性,有效提升了包装机器人的包装效率.     

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。     

分阶段成形结构过程控制的无应力状态控制法

建立了分段成形桥梁任意施工过程的力学平衡方程,由力学平衡方程推演出分阶段施工桥梁过程控制的核心是构件单元的无应力状态量.通过单元的无应力状态量的控制和调整解决了分阶段施工桥梁的安装计算问题;利用无应力状态量一定的前提下,内力和位移与施工过程无关的原理,实现了施工中多工序并行作业,解决了施工中临时荷载和温度影响的自动过滤问题.     

面向光纤作业的精密并联机器人系统研制

研制出了面向光纤作业的精密并联机器人,它是一种六自由度、高精度的新型定位系统。介绍了该机器人结构的设计特点、工作原理及由伺服电机控制的半闭环控制系统,并给出了该机构的控制方法。同时还设计了一种新型虎克铰链,它能有效地减小因接触变形而产生的误差。另外由于借助了DSP技术,很好地解决了机构运动学反解的实时计算问题。最后给出了在不同姿态下,并联机器人工作空间边界的仿真图及机构重复度测试的结果。仿真和实验结果表明,该精密并联机器人具有工作空间大、系统控制精度高、机构重复精度高等优点。     

漂浮基双臂空间机器人基于自适应遗传算法的最优非完整运动规划

讨论了漂浮基双臂空间机器人非完整运动的最优控制规划问题。以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人耦合了系统动量守恒关系的系统动量矩守恒关系,并将其转化为控制系统状态方程。由此,将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为非线性系统的控制问题。以此为基础,利用近似优化的方法,给出了双臂空间机器人基于自适应遗传算法的最优非完整运动规划控制算法。其优点在于,仅需要控制双臂空间机器人机械臂的关节运动,即可达到对载体姿态及机械臂关节位置的双重控制效果。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。     

水下蛇形机器人的滑翔运动性能研究

结合水下滑翔机在海洋中的较强续航能力,以及蛇形机器人在水中的良好机动性能,研制了一种具有两者特性的新型水下滑翔蛇形机器人,它具有水下滑翔机续航时间长、航行距离远,以及水下蛇形机器人机动性强、运动灵活的运动特性。对该水下滑翔蛇形机器人的滑翔运动性能进行了试验研究。首先对水下滑翔蛇形机器人的运动原理及关节结构进行了设计分析,其次对机器人的硬件及控制系统进行了结构分析,而且根据动量定理和动量矩定理,对机器人的滑翔运动方程进行了推导,并化简到垂直平面。最后对平衡状态进行了仿真分析,对机器人的运动能力进行了试验验证。试验结果验证了水下滑翔蛇形机器人机构的有效性。     

Differential evolution techniques for the structure-control design of a five-bar parallel robot

The present work deals with the use of a constraint-handling differential evolution algorithm to solve a nonlinear dynamic optimization problem (NLDOP) with 51 decision variables. A novel mechatronic design approach is proposed as an NLDOP, where both the structural parameters of a non-redundant parallel robot and the control parameters are simultaneously designed with respect to a performance criterion. Additionally, the dynamic model of the parallel robot is included in the NLDOP as an equality constraint. The obtained solution will be a set of optimal geometric parameters and optimal PID control gains. The optimal geometric parameters adjust the dynamic and the kinematic parameters, optimizing then, the link shapes of the robot. The proposed mechatronic design approach is applied to design simultaneously both the mechanical structure of a five-bar parallel robot and the PID controller.     

空间站大柔性太阳电池翼驱动装置的滑模伺服控制

针对空间站大柔性太阳电池翼高稳定对日跟踪驱动控制问题,提出了一种带运动规划和振动抑制的非线性快速终端滑模伺服控制方案。推导了太阳电池翼驱动状态方程、永磁同步电机动力学模型,同时考虑驱动装置传动间隙、静/动摩擦力矩切换等非线性传动特性,在动力学建模基础上设计高次样条运动规划、位置环积分分离调节器、速度环快速终端滑模变结构调节器的组合控制系统。通过对太阳电池翼对日跟踪过程的仿真校验,表明设计的控制方案可实现大惯量、超低频太阳电池翼较高的驱动速度稳定度和较好的跟踪精度。     

高精度视觉光电多指节机器人中的零点归位新方法

提出了一种自动选择最优路径的高精度的机器人归零新方法,制作了高精度视觉光电多指节机器人系统。该归零方法的基本原理是根据机器人的停放点相对于零位接近开关的位置自动选择最近的归零路径,以零位接近开关和编码器Z信号共同判断最终零点。现场应用实验结果表明:项目组的视觉光电多指节机器人1轴臂长350mm,可操作范围220?;2轴臂长250mm,可操作范围300°;3轴臂长150mm;4轴360°自由转动。该机器人系统目前已成功应用于工件上下料和码垛作业中,系统运行稳定,点重复精度达0.02mm,除归零外的水平联动速度达到5.2m/s。采用本文的归零新方法,各轴归零时间均在10s内,归零误差均在2个脉冲数以内。据我们所知,该方法国内、外未见报道,也未见实际应用案例。     

Dynamic Scheduling of a Robot Servicing Machines on a One-Dimensional Line

We examine the operation of a single robot servicing a finite set of machines lined up in succession. Each machine operates for a random time, gets blocked (or fails), waits for the robot, waits for the repair duration, starts operating again, and so on. We seek a dynamic decision rule which at any time, depending on the state of the whole system, will decide what action the robot should take: to repair the machine in front of it, or to move left or right, or to stop and wait. The objective is to maximize the average number of operating machines, over an infinite horizon. This problem arises in die practical context of a textile winding process.

We model this system as a Markov Renewal Decision Process, and present a computational approach, based on dynamic programming, to approximate an optimal decision policy, under the assumption of exponential times to failure. We consider the case in which the robot can stop and change direction anywhere, and the case where the robot can stop or change direction only in front of a machine. Since the optimal policies turn out to be very complex, we examine simpler suboptimal rules, and compare them to the optimal policy and to other previously proposed or commonly used decision rules. For the numerical examples that we have examined, our best suboptimal rules almost always take the optimal decision, and their costs differ from the optimum by a negligible amount. For the case where the robot can stop or change direction anywhere, we used computer simulation to compare the suboptimal rules and conclude that our proposed rules are in general better man those previously proposed or commonly used.     

Active control of fluid equilibrium in a thermosyphon

We have theoretically and experimentally studied the problem of automated control over the mechanical equilibrium of an inhomogeneously heated fluid in a rectangular convection loop (thermosyphon), which comprises two coupled vertical channels with rectangular cross sections arranged in a unit made of a heat-conducting material. The equilibrium is maintained using a control feedback subsystem (controller) capable of responding to the onset of a convective motion by introducing small changes in the spatial orientation of the thermosyphon in the gravitational field. The effect of the dynamic stabilization of the equilibrium, which is unstable in the absence of control, is achieved in a broad range of parameters of the system. It is established that excess feedback leads to the excitation of oscillations in the system. An analysis of the theoretical model showed that these oscillations are related to a delay in the correction introduced by the controller into the state of the system under control. The experimental data are in perfect agreement with the results of analysis of the theoretical model.