气动三自由度并联平移型机器人的同步控制

气动三自由度并联平移机器人由固定平台、动平台、3个辅助臂和3个驱动臂组成,3个辅助臂约束机器人动平台的转动,3个气缸驱动机器人动平台沿x, y, z方向的运动。根据并联平移机器人的机械结构及运动特征,得到动平台的运动学正解和逆解。在并联平移机器人的运动控制中,不仅要减少单个驱动臂的跟踪误差,还需考虑驱动臂间的运动协调性。由于气体的可压缩性、负载的时变性和摩擦力等因素,精确的驱动臂模型难以建立,因此针对单个驱动臂设计了线性自抗扰控制器;此外,根据机器人结构特点设计基于驱动臂跟踪误差分解组合的协调控制器,解决了运动协调的问题,进一步减小了空间轨迹的跟踪误差。实验证明了该控制策略的有效性。     

含有一个自由关节的机械臂轨迹跟踪实验

以含有一个自由关节的三自由度机械臂为研究对象,对其轨迹跟踪问题进行了实验研究。依据模糊控制理论设计了一种简单的模糊控制方法,该方法具有参数调整容易,实时计算量小等优点。搭建了3R欠驱动机械臂实验装置及其控制系统,利用主、被动关节间的动力学耦合作用,在该实验系统上实现了机械臂的圆弧轨迹跟踪任务,结果表明,实验具有较高的控制精度。     

一种新型四自由度并联机器人运动学特性

提出一种新型四自由度并联机器人机构,命名为2UPU／2SPS11机构,该机构可以实现空间的三维移动和一维转动。采用计算机辅助几何法,建立并联机器人模拟机构,得到动平台位置轨迹,并采用拟合法分析动平台速度、加速度。采用解析法建立机构的位置正反解方程．并基于影响系数法推导速度、加速度方程,对计算机辅助几何法的分析结果进行验证。验证结果表明,计算机辅助几何法研究并联机器人的运动学特性是可行的,值得推广。     

液压驱动单元位置控制系统前馈补偿控制研究

液压驱动型足式机器人在运动过程中各关节液压驱动单元（Hydraulic drive unit,HDU）多采用基于液压控制内环的外环阻抗控制方法,其中液压控制内环可分为位置闭环控制和力闭环控制。当液压控制内环采用位置闭环控制时,其位置控制性能直接决定了外环阻抗控制性能,所以,一种针对HDU的高精度的位置控制方法具有重要研究意义。针对以上研究意义,首先对HDU位置控制系统6阶数学模型进行简化,求出位置控制系统中各部分传递函数。其次,推导位置控制输入前馈补偿控制器,该控制器中含有液压系统固有非线性和负载特性。最后,在HDU性能测试试验平台上,在多种典型输入信号以及对角小跑输入信号下,对系统的位置控制性能进行试验研究并给出定量分析。试验结果表明,在不同输入信号下,加入所提出的输入前馈补偿控制器可以大幅提高系统位置控制性能,并且该控制器具有良好的多工况适应性。以上研究成果可结合相应的针对位置控制系统的抗干扰控制策略,一起为基于位置的阻抗控制液压内环控制提供控制策略重要参考和试验基础。     

气动肌肉并联关节的位姿轨迹跟踪控制

针对多输入多输出的气动肌肉并联关节,建立包含任务空间负载动态方程、容腔压力动态方程和高速开关阀平均流量方程的多阶动态系统数学模型。为保证气动肌肉并联关节系统良好动态特性的同时具有高精度的位姿轨迹跟踪,采用基于非连续投影算法的自适应鲁棒控制策略。该策略通过自适应参数估计来消除因气动肌肉并联关节系统动态数学模型的参数未知而引起的较大参数不确定,通过鲁棒反馈来消除因气动肌肉的伸缩力模型误差、摩擦力时变和关节系统的不可知干扰等引起的严重非线性不确定,且控制器基于反推设计,对多输入多输出的多阶耦合动态系统具有很好的适用性。试验结果表明：所研究的气动肌肉并联关节阶跃响应的静态误差小于0.09°,连续轨迹跟踪的标准误差小于0.15°,且具有较强的自适应性和鲁棒性。     

未知环境下柔性二连杆机械臂的自适应阻抗控制

针对机器人与环境接触作业的需求,基于假设模态法建立了刚柔耦合动力学模型,并考虑环境参数不精确干扰,设计了自适应阻抗控制器,分析了其稳定条件。在MATLAB/Simulink中搭建了可对柔性机械臂进行自适应阻抗控制的仿真平台,计算了平面内二连杆柔性机械臂在含有三角形凹陷环境表面的接触运动和柔性变形模态。对比分析了刚性和柔性机械臂位控和力控效果及自适应项对控制响应的影响。基于Staubli机器人展开了实验。结果表明：柔性变形会使得机械臂的位控和力控效果变差;自适应阻抗控制会改善控制响应,对环境不确定具有鲁棒性。设计的自适应阻抗控制可实现柔性机械臂在不规则表面的稳定接触和运动。     

宏微并联机器人系统自适应交互PID监督控制

500m口径球面射电望远镜(Five hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)的馈源支撑与指向跟踪机构由宏微并联机器人系统构成,大跨度柔索驱动的宏并联机器人保证系统的大工作空间,精密电动缸驱动的Stewart平台作为微并联机器人保证系统的末端精度并扩展其伺服带宽。为了降低宏并联机器人的柔性对末端定位精度的影响,提出基于并联机构学原理的三维机动目标解耦跟踪预测算法,对馈源舱的运动进行跟踪预测。引入自适应交互算法解决PID参数的实时调整,设计自适应交互PID监督控制器,根据馈源舱的预测运动和馈源平台的目标轨迹产生电动缸规划级控制量。此外,在电动缸执行级采用带前馈的数字伺服滤波器实现电动缸的高精度轨迹跟踪。FAST50m缩尺模型试验表明,结合解耦预测算法对馈源舱的运动预测,自适应交互PID监督控制器效果良好,能够确保宏微并联机器人系统在以期望的跟踪速度运行时,获得完全满足控制要求的定位精度和指向精度。     

6自由度水下机器人动力学分析与运动控制

对6自由度水下机器人的动力学与运动控制进行研究。首先考虑重力、浮力、推力以及水动力的影响,建立水下机器人的动力学模型,对机器人的复杂水下动力学行为进行描述。在此基础上,根据解出加速度法设计非线性控制器,包括内外两个控制回路。其中外控制回路根据机器人实际轨迹与期望轨迹之间的偏差进行负反馈控制,内控制回路根据机器人动力学特性引入非线性补偿,把机器人转化为一个更易于控制的线性系统,从而准确实现对理论轨迹的跟踪。最后对水下机器人跟踪目标进行运动控制仿真。从仿真结果可以看出,利用该方法可以使水下机器人具有良好的轨迹跟踪能力。     

热加工用机械手末端轨迹跟踪控制方法研究

分析机械手横纵向移动、旋转和伸缩等不同动作的动力学,利用拉格朗日法构建机械手动力学模型,以此计算热加工作业时机械手末端移动轨迹误差。考虑机械手移动惯性、重力和向心力角位移等多重因素,设计前馈控制器,将移动轨迹点作为神经网络训练集,通过多次迭代完善轨迹点数据库,利用距离加权法修正轨迹点值,通过控制机械手末端惯性问题完成机械手末端轨迹跟踪控制。仿真实验证明,所提方法路径跟踪误差小,控制稳定性好、响应快,可适用范围广。     

Singularity analysis of a 3-RPS parallel manipulator using geometric algebra

Singular configurations must be avoided in path planning and control of a parallel manipulator. However, most studies rarely focus on an overall singularity loci distribution of lower-mobility parallel mechanisms. Geometric algebra is employed in analysis of singularity of a 3-RPS parallel manipulator. Twist and wrench in screw theory are represented in geometric algebra. Linear dependency of twists and wrenches are described by outer product in geometric algebra. Reciprocity between twists and constraint wrenches are reflected by duality. To compute the positions of the three spherical joints of the 3-RPS parallel manipulator, Tilt-and-Torsion angles are used to describe the orientation of the moving platform. The outer product of twists and constraint wrenches is used as an index for closeness to singularity(ICS) of the 3-RPS parallel manipulator. An overall and thorough perspective of the singularity loci distribution of the 3-RPS parallel manipulator is disclosed, which is helpful to design, trajectory planning and control of this kind of parallel manipulator.     

六自由度并行机器人动力学模型及仿真

采用一种广泛应用于串行机器人动力学建模的方法──自然正交补（ＮＯＣ）法, 结合ｄ’Ａｌｅｍｂｅｒｔ虚功原理,推导出了不含约束力的六自由度并行机器人动力学模 型,并将它写成机器人动力学模型的一般形式,从而证明了在广义力对应的广义坐 标下,其惯性阵是对称、正定的。以此模型为基础,对一个典型运动进行了动力学仿 真,仿真结果验证了此模型的有效性。     

一种二自由度并联机构设计及空间误差建模

设计了一种应用于大构件装配的二自由度并联平台机构,该机构可以实现平移运动、旋转运动及平移和旋转的复合运动,承载力大,运动平稳。为使所设计的平台具有高的定位精度,以多体系统理论为基础,根据并联平台实际情况,推导出并联平台的空间误差模型,为进一步研究并联平台的误差补偿方法和相应的仿真分析奠定了基础。     

液压机器人作动器建模及关节转角跟踪控制

针对液压四足机器人作动器伺服精度较差问题,分别推导电液伺服作动器在摆动相、刚性支撑相和弹性支撑相的等效模型,分析各作动器模型特点,提出比例内环自适应幅相控制外环的复合控制策略,应用比例控制器保证位置内环的稳定性,采用自适应幅相控制器进行幅值和相位补偿。通过机器人单腿测试平台进行控制策略验证,实验结果表明:所提控制策略可使系统幅值衰减小于2%,相位滞后小于4°,验证了此方法的有效性。     

An improved force-based impedance control method for the HDU of legged robots

Hydraulic drive mode enables legged robots to have excellent characteristics, such as greater power-to-weight ratios, higher load capacities, and faster response speeds than other robots. Nowadays, highly integrated valve-controlled cylinder, called hydraulic drive unit (HDU), is employed to drive the joints of these robots. However, various robot control issues exist. For example, during the walking process of legged robots, different obstacles are encountered, making it difficult to control such robots because the load characteristics of the ends of their feet change with the environment. Furthermore, although the adoption of HDU has resulted in high-performance robot control, the hydraulic systems of these robots still have problems, such as strong nonlinearity, and time-varying parameters. Consequently, robot control is very difficult and complex. This paper proposes an improved second-order dynamic compliance control system, impedance control, for HDU. The control system is designed to rectify the issues affecting the impedance control accuracy of the dynamic compliance serial–parallel composition between the HDU force control inner loop and the impedance control outer loop. Specifically, it consists of a compliance-enhanced controller and a feedforward compensation controller for the force control inner loop. Furthermore, the dynamic compliance composition of the inner and outer HDU control loops is rearranged. The results of experiments conducted indicate that the proposed method significantly improves the control accuracy compared to that of traditional force-based impedance control.     

Adaptive Real-time Predictive Compensation Control for 6-DOF Serial Arc Welding Manipulator

Because of long driving chain and great system load inertia, the serial manipulator has a serious time delay problem which leads to significant real-time tracking control errors and damages the welding quality finally. In order to solve the time delay problem and enhance the welding quality, an adaptive real-time predictive compensation control(ARTPCC) is presented in this paper. The ARTPCC technique combines offline identification and online compensation. Based on the neural network system identification technique, the ARTPCC technique identifies the dynamic joint model of the 6-DOF serial arc welding manipulator offline. With the identified dynamic joint model, the ARTPCC technique predicts and compensates the tracking error online using the adaptive friction compensation technique. The ARTPCC technique is proposed in detail in this paper and applied in the real-time tracking control experiment of the 6-DOF serial arc welding manipulator. The tracking control experiment results of the end-effector reference point of the manipulator show that the presented control technique reduces the tracking error, enhances the system response and tracking accuracy efficiently. Meanwhile, the welding experiment results show that the welding seam turns more continuous, uniform and smooth after using the ARTPCC technique. With the ARTPCC technique, the welding quality of the 6-DOF serial arc welding manipulator is highly improved.     

平行导轨二滑块驱动在一侧的并联操作手的运动轨迹实现与仿真研究

以平行导轨二滑块驱动在一侧且内点作为操作点的并联机构为研究对象,在给出显式位移、速度、加速度运动学逆解模型的基础上,对其运动轨迹进行了分析仿真研究;在操作头轨迹规划中,加减速及匀速阶段采用四次多项式进行拟合,拐角段采用对称的Clothoid曲线光滑匀速过渡;同时,利用运动学逆解确定了操作点按预期轨迹运动时应在原动件上施加的运动规律;最后,利用虚拟样机技术对所规划的运动轨迹进行仿真验证.仿真结果表明:并联机构驱动滑块的速度、加速度及作用在滑块上的驱动力均为连续函数,机构运行平稳,操作点的位置和速度与规划一致,能够满足操作点快速和实时控制的要求.     

空间刚柔耦合并联机构的逆动力学建模与控制

为了提高3-RRRU空间刚柔耦合并联机构的轨迹跟踪精度,提出了一种基于瞬态刚体校正法的逆动力学模型求解方法来构建该机构的非线性控制策略。首先,利用自然坐标法和绝对节点坐标法建立该机构的非线性逆动力学模型,它考虑了各支链柔性空间梁单元的剪切效应,并能描述柔性梁的大范围非线性弹性变形。然后,通过分析刚柔耦合动力学模型在求解过程中出现的相容性问题,结合自然坐标法与理想运动学模型,提出了瞬态刚体校正法并求出逆动力学模型的稳定数值因果解。最后,基于该数值解构建并联机构的非线性控制策略,通过仿真与实验验证了该方法的可行性与有效性。仿真与实验结果表明:逆动力学方程组的求解精度为10-6,约束方程的相容误差为10-8;与刚性并联机构的控制方法相比,该方法在圆形轨迹下的最大跟踪误差降低了0.465mm,圆度误差降低了0.416mm。结果表明:该求解方法解决了闭链机构多体动力学方程的违约问题,有效地改善了系统的综合收敛性能,所构建的控制策略提高了并联机构的轨迹跟踪精度。     

自适应控制策略在并联机构上的应用

利用并联机构的动力学模型，对自适应算法在并联机构上的控制效果进行了理论及其实际实验的研究。分别采用经典PD算法和基于计算力矩的自适应控制算法对实际的并联机构进行轨迹跟踪控制。实验结果表明。无论在低速或高速的情况下。自适应算法都能够获得具有更好的位置跟踪性能的高速高精度运动，并且运动过程更加平稳。     

Simulation of machining 3D free-form surface in normal direction using 6-SSP and 4SPS+UPU parallel machine tools

A novel 6-SSP parallel machine tool and a novel 4SPS+UPU parallel machine tool are presented, and a novel CAD approach is proposed to machine a 3D free-form surface in its normal direction by using the two parallel machine tools. First, by adopting the CAD geometry constraint and dimension-driving technique, the simulation mechanisms of a 6-SSP parallel manipulator with 6-DOF and a 4SPS+UPU parallel manipulator with 5-DOF are created. Second, a 3D free-form surface and a guiding plane of tool path are constructed above the moving platform of the two simulation mechanisms. Third, the tool axis of simulation parallel machine tool is retained perpendicular to the 3D free-form surface. In the light of two prescribed tool paths, the driving limbs and the pose of the moving platform of parallel machine tools are solved automatically and visualized dynamically.     

基于关节空间模型的并联机器人耦合性分析

6自由度液压驱动并联机器人分为机械和液压两个子系统,这两个子系统可以分别建模为多刚体动力学和液压系统动力学。根据这两个子系统间存在的双边耦合关系,建立6自由度并联机器人操作空间整体动力学模型。通过雅克比变换,将操作空间动力学模型映射到关节空间,从而导出并联机器人关节空间动力学模型。利用该模型对几种典型位姿下并联机器人通道间的耦合性进行分析。分析结果表明,在整个操作空间中,并联机器人通道间存在严重的耦合,而且这种耦合作用随着并联机器人的位姿变化而发生变化,并将直接影响单通道系统的负载惯量特性,给并联机器人控制带来困难。