不确定性双臂空间机器人自适应模糊优化控制

考虑空间环境存在惯性参数未知及外部扰动等不确定性因素,针对自由漂浮双臂空间机器人(DFFSR)关节角运动控制问题,提出了一种自适应模糊优化控制方法.首先,基于系统动量守恒关系及Lagrange方法,建立DFFSR系统关节空间的动力学方程;而后,考虑系统惯性参数未知导致惯性矩阵无法求解问题,利用模糊控制理论的万能逼近特性...     

漂浮基双臂空间机器人系统协调运动的模糊小波神经网络控制

讨论了本体姿态受控、位置不受控的情况下,漂浮基双臂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,推导了漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程。在系统参数未知的情况下,提出了一种小波基模糊神经网络控制器,以使双臂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。提出控制器的优点在于：不仅不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,而且也不需要知道系统参数;由于采用反向传播算法对网络参数进行在线训练,从而使模糊神经网络具有较好的自学习和自适应能力,这样就不需要事先进行离线训练,更适应于空间机器人系统的实际应用。利用一个双臂空间机器人系统的仿真结果,验证了所提出控制器的有效性。     

漂浮基姿态受控空间机器人关节运动的自适应模糊滑模控制

重点研究了载体位置无控、姿态受控情况下,空间机器人姿态、关节协调运动的自适应模糊滑模控制问题。由拉格朗丑第二类方法及系统动量守恒关系,建立了漂浮基空间机器人的系统动力学方程。以此为基础,针对空间机器人所有惯性参数均未知的情况,设计了空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应模糊滑模控制方案。数值仿真的结果,证实了该控制方案的有效性。     

多关节机器人反馈线性化双模糊滑模控制

为了提高多关节机器人轨迹跟踪控制性能,提出了一种反馈线性化双模糊滑模控制方法。该方法在对机器人非线性动力学模型反馈线性化的基础上,设计了一种双模糊滑模控制器。通过设计一个模糊控制器,根据跟踪误差和误差变化率自适应地调整滑模面的斜率,从而加快响应速度。通过设计另一个模糊控制器,根据滑模面自适应地调整滑模控制的切换控制部分,从而减弱抖振。利用李亚普诺夫定理证明了控制系统的稳定性。针对空间三关节机器人进行了仿真实验,结果表明了所提方法的有效性。     

空间机器人在轨双臂辅助航天器对接力/位置嵌套双层滑模阻抗控制

为了实现空间机器人捕获航天器及辅助对接操作的柔顺化,对航天器对接装置的输出力与位姿的精确控制进行了研究,且在关节电机与机械臂之间添加了弹簧阻尼缓冲装置,以防止接触、碰撞时产生的巨大冲击力造成关节破坏。首先,结合Newton第三定律、捕获点的速度约束及闭链系统的几何约束,获得了捕获航天器后的混合体系统动力学方程,通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力。接着,通过航天器对接装置相对载体坐标系的运动学关系,建立了对接操作过程中的阻抗模型。然后,设计了一种鲁棒自适应双层滑模控制策略,其与阻抗控制相结合,采用力加载随动控制系统实现对接装置的位姿与输出力的精确控制,以降低接触、碰撞时的冲击力。该控制策略具有双层滑模结构,其第一层保证混合体系统在有限时间内收敛,第二层用于解决控制的高增益问题。最后,通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性;利用数值仿真验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明,在给定的速度下缓冲装置最大可将碰撞冲击力矩降低46.78%,输出力的控制精度优于0.5 N,位置、姿态的控制精度优于10-3 m,0.5°。     

自由浮动柔性双臂空间机器人系统的动力学控制

基于假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,采用拉格朗日方程分析柔性臂的动力学关系,忽略高阶弹性振动模态,根据柔性双臂和物体的动力学方程、末端约束关系以及系统的动量守恒原理,推导一种自由浮动柔性双臂空间机器人闭链系统的动力学模型。针对系统柔性状态的高频特征,采用奇异摄动法将该系统模型分离为慢变和快变两个子系统,对二者分别采用滑模变结构控制和非线性PD控制,保证刚性、柔性状态输出达到要求,由此得到的组合控制使得系统能较好地跟踪期望的轨迹,抑制弹性振动,并减小对本体运动的影响,内力、内力矩均能平稳跟踪期望值。最后进行数字仿真,验证上述方法的有效性。     

双臂空间机器人基于高斯型函数的姿态、关节运动模糊自适应补偿控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控情况下,具有未知载荷参数的漂浮基双臂空间机器人系统关节运动的控制问题。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完全能控形式的系统动力学方程。以此为基础,针对双臂空间机器人2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。该控制方案能够有效地控制漂浮基双臂空间机器人的载体姿态及机械臂关节协调地完成期望的轨迹运动,并具有不需要反馈和测量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该方案的有效性。     

具有未知参数漂浮基双臂空间机器人惯性空间复合自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下具有未知参数的漂浮基双臂空间机器人系统惯性空间的复合自适应控制问题。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,联系两个机械臂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,设计了空间机器人系统跟踪惯性空间期望运动轨迹的复合自适应控制方案。系统的数值仿真证实了控制方法的有效性。     

双臂空间机器人任务空间内的轨迹跟踪控制优化

针对任务空间中基座位置不受控、姿态受控的双臂空间机器人轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于状态依赖Riccati方程(SDRE)的优化控制方法。首先,基于关节空间双臂空间机器人的运动学方程和完全驱动动力学方程,推导出机械臂欠驱动动力学方程以及机械臂关节与末端的运动雅可比关系;其次,通过增广状态变量构造SDC(State-dependent Coefficient)矩阵,并基于SDRE控制理论设计优化跟踪控制器,在实现输出力矩能量优化前提下,实现了对双臂空间机器人末端抓手位置与基座姿态的协同轨迹跟踪;最后,利用李雅普诺夫方法证明了系统渐近稳定性,并利用仿真实验验证了所设计控制器的有效性。     

双臂空间机器人捕获航天器后的镇定运动分块滑模自适应神经网络控制

讨论了双臂空间机器人捕获航天器后闭链混合体系统姿态和关节的受扰运动镇定控制及双臂协调操作问题。根据冲量定理及闭环约束条件,分析了双臂空间机器人捕获操作结束后受到的冲击效应,建立了闭链混合体系统动力学方程。以此为基础,针对星载计算机运算能力有限的问题,基于神经网络控制理论设计了分块滑模自适应控制方案。将混合体系统动力学方程考虑为多个非线性关联子系统的集合,因此可同时并行地利用神经网络来分别逼近各子系统未知动力学模型,即通过并行处理来提高计算效率。设计了自适应滑模控制器来抵消交联项及神经网络逼近误差的影响。为了保证各臂杆的协同操作,基于最小权值范数法分配了各臂关节控制力矩。通过系统数值仿真验证了所提控制方案的有效性。     

滑模模糊控制算法在液压机器人控制中的应用

Pb-211液压机器人腰部是一个非线性液压伺服控制系统，常规PID控制算法很难在不出现超调情况下满足控制系统快速性的要求。针对这种情况以及液压系统参数时变等特点，在常规滑模控制算法的基础上，引入模糊控制技术，采用滑模模糊控制策略进行控制器设计。仿真结果表明，滑模模糊控制算法能够在不出现超调情况下显著提高系统的响应速度，满足系统响应速度和控制精度的要求，而且对正弦干扰具有较强的鲁棒性。     

基于滑模控制的空间机器人软硬性抓取

采用滑模控制对空间机器人捕获漂浮目标的软硬性抓取进行研究。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。建立空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入末端装置抓取目标时的碰撞模型,并引入动态抓取域用于机械臂抓取目标时的控制,随后应用滑模控制及基体姿态控制,以减小抓取碰撞冲击对系统的冲击干扰。滑模面参数表征了机械臂保持及跟踪状态的抗冲击能力,可通过其灵活改变机械臂刚性以获取不同抓取性态,包括接触式硬抓取及碰撞式软抓取。仿真表明,空间机器人捕获漂浮目标过程中,硬抓取能保持机械臂刚性,且关节变化小,末端抓取为持续接触;而软抓取时,机械臂受冲击而随动耗能,关节变化大,但对目标位置及基体姿态的冲击小,均约为硬抓取的50%。抓取性态的研究对空间机器人的捕获操作有着重要的理论及工程价值。     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

双臂空间机器人姿态与关节协调运动的自适应控制、鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制情况下的双臂空间机器人姿态和关节协调运动的自适应与鲁棒控制问题。利用拉格朗日方法导出了双臂空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程;在该方程的基础上,基于增广变量法（恰当地扩展系统的控制输入和输出）,成功地克服了完全能控形式的空间机器人系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点;针对双臂空间机器人两末端抓手所持载荷参数未知与不确定两种情况,分别设计了载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应控制和鲁棒控制方案。系统数值仿真表明,两种控制方案均可有效消除空间机器人系统惯性参数未知和不确定的影响,控制双臂空间机器人的载体姿态与机械臂各关节准确地完成期望的运动。     

柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制

针对载体位置不受控、姿态受控的情况,提出了柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制方案。利用假设模态法、系统动量守恒关系及拉格朗日方法,导出了柔性空间机械臂的系统动力学方程。为解决柔性空间机械臂轨迹跟踪控制及振动抑制问题,运用奇异摄动法将系统分解为慢变、快变两个子系统并分别设计了控制器。慢变子系统采用具有较强鲁棒性的模糊终端滑模控制方案,快变子系统则采用基于降阶状态观测器的线性二次型最优控制器(linear quadratic regulator,简称LQR)。数值模拟结果表明,本文的控制方案不仅保证了柔性空间机械臂载体姿态及机械臂各关节铰跟踪误差在有限时间内的收敛性,而且还大大地降低了滑模控制所固有的抖振,并对柔性臂的振动具有良好的抑制效果。     

永磁同步电机的模糊滑模控制

为了实现高性能永磁同步电动机伺服系统快速而精确的位置跟踪控制,在滑模控制策略中引入模糊控制算法,设计了基于模糊规则的滑模控制器;并通过理论分析和控制仿真,证实了模糊滑模控制很好地解决了抖振问题,对参数变化和负载扰动具有很好的鲁棒性,永磁同步电机可获得很好的位置跟踪效果。     

基于自适应时延估计的空间机械臂连续非奇异终端滑模控制

针对载体位姿不受控的漂浮基刚性空间机器人系统,提出了一种基于自适应时延估计的连续非奇异终端滑模控制方法.首先针对传统时延估计技术在不同情况下一直使用一固定的动力学方程惯性矩阵估计值,导致系统控制效果退化的问题,利用自适应时延估计方法根据系统状态对该估计值进行调整,引入改进的连续非奇异快速终端滑模补偿自适应时延估计技术带...     

控制受限下双臂空间机器人的改进反馈控制方法

针对实际双臂空间机器人控制系统的驱动输入控制力矩受限的情况下,提出了一种改进位置输出反馈的轨迹跟踪控制算法。通过引入一阶线性滤波器,设计一种基于速度估计的位置输出的控制算法,该控制算法以伪速度信号来代替真实速度,避免测量速度带来的误差。在此基础上,引入饱和反正切函数设计一种新型的改进位置输出反馈的有界控制器,以实现系统控制输入力矩的受限。通过对基座姿态受控、位置不受控的漂浮基双臂空间机器人系统进行仿真,验证了所提出的改进反馈控制方法的有效性。