欠驱动机器人动力学运动规划的动态子空间法及控制

欠驱动机器人的关节空间运动是通过主、被动关节间的动力学耦合实现的,系统运动可能发生动力学耦合奇异,使欠驱动机器人的动态操作性能严重降低。针对一般具有任意多个被动关节的开链欠驱动机器人系统,基于动力学分析提出一种优化控制方法,其核心是在欠驱动机器人的全部耦合运动空间中,根据动力学耦合操作性度量,动态构造有限个覆盖全部耦合运动空间的具有最佳耦合度的子空间,使发生在这些子空间中的耦合运动具有余度驱动的特点,从而实现提高欠驱动机器人的动力学耦合度的优化控制。提出的方法通过平面四连杆机器人进行仿真,仿真结果证明了这种方法是可行的。     

基于微分几何的欠驱动机器人动力学建模和控制

应用位形流形最小嵌入模型,对带有二阶非完整约束的欠驱动机器人动力学建模和控制进行研究。采用位形流形最小嵌入模型,简化了动力学方程,为欠驱动机器人动力学建模和控制的进一步研究奠定了基础。首先用一个齐次线性方程组表示被动关节的存在,给出基于嵌入模型的动力学方程解的结构。通过引入计算转矩控制法,给出另一个和主动关节及控制输入有关的齐次线性方程组,分析控制输入和这两个方程组解之间的关系,得到一个与控制输入及这两个方程组的解相关的欠定线性方程组,求解该欠定线性方程组,得到欠驱动机器人改进的动力学方程,进而可以运用全驱动机器人控制法来实现最小嵌入模型的控制,解决了由全驱动机器人控制法实现欠驱动机器人关节空间控制的问题。最后以平面二杆欠驱动机器人为例,验证了所得理论的可行性和有效性。     

考虑驱动器特性的柔性弹跳机器人的轨迹跟踪控制

针对弹跳机器人存在的欠驱动问题以及轨迹跟踪控制问题,提出了电机和液压混合驱动的欠驱动仿生柔性弹跳机器人系统。首先建立欠驱动柔性弹跳机器人的运动学模型,通过5次多项式规划、主动关节和被动关节的动力学耦合关系得出各关节转角的变化规律,然后比较了考虑驱动器特性和不考虑驱动器特性时质心的运动规律。其次,建立考虑驱动器特性的机器人完整动力学模型,采用部分反馈线性化和极点配置相结合的方法对其进行运动控制。最后,仿真证明柔性关节能提高机器人弹跳性能,提出的控制方法是可行的。     

平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制

基于模糊控制理论,研究水平运动的4自由度欠驱动机器人位置和姿态控制问题。平面4自由度欠驱动机器人是具有冗余度和欠驱动双重特征的复杂二阶非完整系统,利用主动关节和被动关节加速度之间的耦合作用控制被动关节的运动,同时实现机械臂末端的轨迹跟踪和末杆的姿态控制。根据分层控制思想,提出双模态模糊PID复合控制算法,针对两个子任务分别设计控制器。通过Matlab和ADAMS的联合仿真验证算法的有效性,在基于可编程多轴运动控制卡的试验台上实现平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制试验。仿真和试验结果表明,所设计的模糊PID复合控制器对平面4自由度欠驱动机器人末杆的位置和姿态控制是可行、有效的。     

欠驱动仿袋鼠跳跃机器人动力学耦合研究

根据袋鼠的生物结构及运动特点,建立了具有欠驱动关节的仿袋鼠跳跃机器人模型。以此模型为基础,分析系统的主动关节与被动关节之间的加速度耦合效应。采用拉格朗日方方法建立了机构的动力学方程。结合实例,运用Matlab软件对机器人进行仿真分析,给出了机器人全局单关节耦合变化规律。结果表明:仿袋鼠跳跃机器人的踝关节与欠驱动关节间存在足够大的耦合并且通过动力学耦合来控制欠驱动关节的位置是可能的。动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计和驱动装置位置有重要作用。     

双臂弹性单腿机器人的垂直跳跃控制

提出一种新型弹性单腿跳跃机器人系统,该机器人由两个驱动臂和一个弹性被动伸缩腿组成,系统只能依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动.给出系统机构模型,分析该系统的变约束特征.该机器人系统在支撑相是二阶非完整约束系统,在飞行相是一阶非完整约束系统.针对这种欠驱动非完整约束动力学系统,采用时变非线性输入变换,提出一种实现垂直方向连续跳跃的运动控制算法.以控制腿部的姿态和振动规律、系统动量为目标实现机器人的全状态稳定控制.通过计算仿真模拟,验证提出的运动控制方案是可行的.该研究以探索弹性欠驱动机械系统振动能量循环利用技术为目标,研究结果对设计新型弹性欠驱动机械系统以及探索它在航天领域的应用具有一定参考价值.     

蛇形机器人动力学建模的虚设机构法

基于应用影响系数和虚功原理,通过虚设动力机构提出一种蛇形机器人动力学建模方法,导出考虑骨节侧向滑动条件下的蛇形机器人二阶非完整约束方程。应用这种方法无需进行繁琐的求导或消元运算,可直接基于所给公式编程进行蛇形机器人正逆双向动力学仿真,从而为研究蛇形机器人的动力耦合特征和开发具有二阶非完整约束的蛇形机器人的运动控制器,提供一种实用有效的方法。该方法不仅适于平面运动蛇形机器人,还可进一步推广实现空间运动的蛇形机器人的动力学建模与仿真。     

基于模糊控制的2R欠驱动机器人位置控制

基于模糊控制理论,研究2R欠驱动机器人关节的位置控制问题.在被动关节附加电磁制动器以控制关节间的耦合状态.根据电磁制动器的工作状态,将欠驱动机器人的位置控制分为两个阶段.第一阶段,制动器解锁,利用被动关节加速度与驱动关节转矩间的动力学耦合效应,间接控制被动关节沿预定轨迹运动到预定位置,同时总结模糊控制规则,设计用于控制被动关节运动的模糊控制器.第二阶段,制动器锁定,然后驱动关节运动到预定位置.设计并搭建了基于可编程多轴运动控制卡的试验控制系统.最后通过试验成功实现2R欠驱动机器人关节的位置控制.试验数据表明,模糊控制方法对于机器人被动关节具有较高的位置控制精度,鲁棒性良好,并且不依赖于机器人动力学模型,实时控制的计算量小,体现出智能控制的优越性.     

欠驱动柔性机器人的动力学建模与耦合特性

运用有限元法,建立具有柔性杆的欠驱动机器人的动力学一般模型。以此模型为基础,分析系统的主动与被动关节的加速度耦合和被动关节与驱动力矩的动力学耦合效应,并针对欠驱动柔性机器人,提出柔性杆弹性变形分别与主动关节、被动关节动力学耦合的新指标。将欠驱动柔性机器人的被动关节加速度耦合和力矩耦合仿真结果与刚性系统相比较,在某个驱动器位置,柔性系统得到较大的耦合值,说明此时柔性系统更加有利于能量的传递,体现了杆件的弹性变形对系统动力学特性的影响。同时,数值仿真还表明这些动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计、位形设计、驱动装置位置及系统控制都具有重要意义。     

三关节欠驱动休操机器人的LQR倒立平衡控制

针对欠驱动体操机器人倒立平衡控制问题,给出一种基于动力学模型的三关节欠驱动体操机器人平衡控制方案。首先将三关节欠驱动体操机器人简化为一个在垂直平面上运动的三关节机器人,采用拉格朗日力学方法建立动力学模型,并推导出体操机器人系统状态方程,然后设计LQR控制器,使体操机器人稳定在不稳定的倒立平衡点,最后进行了仿真,结果表明LQR控制器实现了在两输入情况下允许的稳态误差快速响应。     

欠驱动机器人可控性研究方法综述

欠驱动机器人是指控制输入少于系统自由度的一类机器人.由于系统中非完整约束的出现,可积性和可控性成为对欠驱动机器人进行有效控制首要关心的问题.该文分析了欠驱动机器人约束的可积性,综述了此类机器人系统的线性可控性,非线性可控性等其他分析方法的研究进展,并提出了欠驱动机器人控制进一步的研究方向.     

Trajectory planning of mobile robots using indirect solution of optimal control method in generalized point-to-point task

This paper presents an optimal control strategy for optimal trajectory planning of mobile robots by considering nonlinear dynamic model and nonholonomic constraints of the system. The nonholonomic constraints of the system are introduced by a nonintegrable set of differential equations which represent kinematic restriction on the motion. The Lagrange’s principle is employed to derive the nonlinear equations of the system. Then, the optimal path planning of the mobile robot is formulated as an optimal control problem. To set up the problem, the nonlinear equations of the system are assumed as constraints, and a minimum energy objective function is defined. To solve the problem, an indirect solution of the optimal control method is employed, and conditions of the optimality derived as a set of coupled nonlinear differential equations. The optimality equations are solved numerically, and various simulations are performed for a nonholonomic mobile robot to illustrate effectiveness of the proposed method.     

欠驱动冗余度机械臂的动态自重构

分析了欠驱动冗余度机械臂不同机构模式下运动学模型及动力学模型之间的关系,给出了欠驱动机械臂工作于全驱动模式下的动力学操作性度量指标。提出了一种欠驱动机械臂工作在欠驱动模式时的基于非线性控制技术的自运动控制方法,利用少维数的控制输入实现了机械臂的多维关节空间的运动控制,使欠驱动冗余度机械臂能完成自运动流形控制。提出一种动态提高欠驱动冗余度机械臂工作于全驱动模式时的操作性能的方法,通过有两个被动关节的平面四关节欠驱动机械臂进行了仿真验证。     

两4R冗余度柔性机器人协调操作的运动规划

提出了改进的关节初始位形规划法、改进的自运动规划法以及初始位形和自运动规划综合法，并对冗余度柔性协调操作机器人进行了运动规划，在保证两机器人协调以及两机器人各杆的弹性变形和动应力不超标的情况下，有效地降低了系统负载质心的位置误差，改善了系统的运动学性能，并且规划后的角加速度规律容易实现。     

2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制策略与试验研究

针对同时具有被动关节和柔性杆的欠驱动平面机械臂,提出一种简单易行的分段位置控制策略。以2R欠驱动平面柔性机械臂为研究对象,建立机械臂的假设模态动力学模型,分析系统的动力学耦合特性与可控性。通过被动关节处制动器的开闭切换,研究平面柔性机械臂的分段位置控制策略,采用PID方法分别设计各阶段主动、被动关节的控制算法。最后,基于自行开发的欠驱动平面机械臂的试验平台及实时控制系统,完成了2R欠驱动平面柔性机械臂位置控制的试验研究。仿真和试验结果表明,主动关节和被动关节在各阶段都能很好地跟踪目标值,进而实现机械臂的操作任务,验证了所提控制方法的可行性和有效性,以及欠驱动柔性机械臂动力学模型的正确性。