基于线性二次型的刚柔耦合挖掘机机械臂轨迹追踪与振动控制

针对挖掘机机械臂在运行过程中轨迹追踪和振动控制问题,建立了刚柔耦合挖掘机机械臂非线性动力学模型,对模型中关节角变量和弹性变量两部分进行解耦,并对挖掘机机械臂轨迹追踪和残余振动抑制进行计算,最后根据计算数据对建立相关模型进行数值验证。研究结果表明,挖掘机机械臂刚柔性耦合轨迹跟踪控制方法是有效的,利用线性二次型最优控制方法对挖掘机机械系统由柔性机械臂的弹性变形所引起的残余振动起到了明显的抑制效果。     

刚柔结合的充电机械臂设计

针对大型运输设备上的电池充电补给任务,设计了一款刚柔结合充电机械臂.针对机械臂的柔性部分和刚性部分分别分析了关节、任务、驱动空间之间的运动映射关系,给出了两级柔性臂的解耦运动学算法,使用蒙特卡洛方法求解了机械臂的工作空间,验证了机械臂设计的合理性,并用Adams软件进行动力学仿真分析,校核了设备选型的安全性.     

刚柔混合宏微机械臂运动补偿与控制

刚柔混合宏微机械臂是一类特殊结构机械臂系统,适用于空间大范围运动与精密操作任务。以2个柔性宏机械臂和2个刚性微机械臂构成的平面机械臂为研究对象,对其动力学建模、宏微空间分解、运动误差补偿与控制问题进行了研究,给出了较为详实的仿真实验结果,验证了采用刚柔混合宏微机械臂实现空间轨迹跟踪的可能性。     

漂浮基柔性空间机械臂协调运动的非线性鲁棒自适应控制

针对具有外部扰动与参数不确定或未知的情况,讨论漂浮基柔性空间机械臂系统的协调控制与柔性振动抑制问题。基于假设模态法对柔性臂杆进行近似描述,并利用第二类拉格朗日方程与系统动量守恒关系,推导带外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,提出漂浮基柔性空间机械臂系统协调运动的非线性鲁棒控制与非线性鲁棒自适应控制方案。此两种控制方案均可克服外部扰动对系统的影响,控制漂浮基柔性空间机械臂系统载体姿态与机械臂各关节铰完成期望的协调运动,同时有效地抑制了臂杆的柔性振动。除此之外,非线性鲁棒自适应控制方案还可以解决系统惯性参数不确定或未知的问题。系统数值仿真结果证实了所提控制方案的有效性和可行性。     

空间机械臂姿态及关节运动的自适应与鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题。借助于增广变量法,恰当地扩展系统的控制输入与输出,克服了漂浮基空间机械臂系统控制方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点,保持了系统控制方程关于惯性参数的线性函数关系。以此为基础,针对末端抓手持有载荷参数未知与不确定两种情况,设计了载体姿态与机械臂关节协调运动的自适应控制与鲁棒控制两种方案。仿真运算证实了上述控制方案的有效性。     

带滑移铰空间机械臂未端相对轨迹的自适应跟踪控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的带滑移铰空间机械臂的控制问题。结合系统动量守恒关系进行的系统运动学、动力学分析表明,可以得到一组欠驱动形式的空间机械臂系统动力学方程,它们可以表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数,由此克服了空间机械臂系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点。在此基础上,针对系统中机械臂相关参数未知的情况,设计了空间机械臂末端抓手相对运动轨迹跟踪的自适应控制方案。此控制方案具有不需要测量、反馈漂浮基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点,适用于空间站舱内机械手控制系统设计。仿真运算证实了提出的控制方案的有效性。     

空间机械臂资态及关节运动的自适应与鲁棒控制

讨论了载体益不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题。借助于广变量法,恰当地扩展系统的控制输入与输出,克服了漂浮基空间机械臂系统控制方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点,保持了系统控制方程关于惯性参数的线性函数关系。以此为基础,针对末端抓手持有载荷参数未知与不确定两种情况,设计了载体瓷态与机械臂关节协调运动的自适应控制与鲁棒控制两种方案。仿真运算证实了上述控制方案的有效性。     

基于模糊幂次趋近律的漂浮基空间机器人快速滑模控制

针对空间机械臂轨迹跟踪控制过程中的抖振抑制问题,讨论了一种基于模糊幂次趋近律的快速滑模变结构控制方法。首先运用拉格朗日第二类方程,建立了空间机械臂系统的动力学模型。然后对机械臂的传统滑模面进行改进,设计了一种快速非线性滑模面。利用模糊控制理论,设计了一种模糊幂次趋近律,使机械臂抖振抑制的效果明显,同时也保证了系统的轨迹跟踪控制效果。通过Lyapunov稳定性分析定理,验证了系统的稳定性和收敛性。最后用仿真实验结果证明了所设计控制方法的有效性和可行性。     

带滑移铰空间机械臂末端相对轨迹的自适应跟踪控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的带滑移铰空间机械臂的控制问题。结合系统动量守恒关系进行的系统动力学、动力学分析表明，可以得到一组欠驱动形式的空间机械臂系统动力学方程，它们可以表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数，由此克服了空间机械臂系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点。在此基础上，针对系统中机械臂关参数未知的情况，设计了空间机械臂末端抓手相对运动轨迹跟踪的自适应控制方案。此控制方案具有不需要测量、反馈漂浮基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点，适用于空间站舱内机械手控制系统设计。仿真运算证实了提出的控制方案的有效性。     

空间机械臂关节非线性摩擦建模及补偿

针对空间机械臂关节存在的非线性摩擦问题,提出了一种非线性摩擦建模及补偿方法。首先,根据建立的机械臂关节动力学方程推导出非线性摩擦与电机电流、角加速度的关系;然后,通过测得的机械臂关节角度信号,设计了Kalman-牛顿预测器来估计负载端的角加速度,并利用估计的角加速度和采样电流值计算出摩擦力矩,建立机械臂关节的指数摩擦模型;最后,基于该模型设计了前馈补偿控制器,用于对机械臂关节的非线性摩擦进行补偿。通过机械臂关节驱动实验验证了此方法的可行性。     

具有外部扰动的漂浮基空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程,并将其转化为状态空间形式的系统控制方程。以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的Terminal滑模控制方案。提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性。此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性。一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性。     

基于解耦的柔性关节机械臂振动抑制方法研究

针对多自由度柔性关节机器人手臂残余振动抑制问题,对双杆机械臂关节耦合及振动抑制方法进行了研究,提出了基于解耦的柔性关节振动抑制控制算法。首先,根据拉格朗日方法建立了系统的动力学模型。然后,分析了关节间存在的相互作用力及关节间的相互耦合对机械臂振动抑制的影响。利用模糊补偿控制方法对二自由度柔性关节机械臂进行了模糊解耦,并在解耦的基础上引入零振荡整形器(ZV整形器)对解耦后的各个单关节进行进一步控制,以抑制各臂杆由于关节刚度不足导致的残余振动。最后,通过数值算例进行了仿真,验证了该算法的有效性。研究结果表明,加入解耦环节之后,两杆的相互干扰明显减弱,耦合度明显降低,使该非线性系统近似成为线性系统,再通过零振荡整形器对各关节运动加以优化,使得机械臂的残余振动得到了有效的抑制。     

不确定环境球型腕自适应滑模扰动控制

针对目前机械手腕结构复杂、集成度低、运动耦合、抗不确定因素“干扰”能力差等问题,提出一种由相对独立运动链组成的三自由度高集成解耦球型腕机构及其自适应滑模控制方法。球型腕采用双半球和双万向节的解耦结构保证腕关节的紧凑性与灵活性。分析运动传递关系,推导正、逆运动学方程及动力学方程,建立作业空间与关节空间的运动传递关系和系统控制模型,构建三自由度解耦球型腕试验平台。主动控制系统采用非线性Terminal滑膜控制器结合RBF神经网络算法评估不确定性上界,保证系统控制误差快速收敛,利用Lyapunov稳定性理论证明控制系统的稳定性。仿真和试验结果表明该控制方法对不确定性扰动不敏感,削弱滑模控制的“抖振”,能够快速、准确地跟踪轨迹,实现精确的定位控制。     

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。     

自由浮动柔性双臂空间机器人系统动力学建模与抑振控制

柔性多臂空间机器人是一个高度非线性、强耦合的动力学系统。本文基于假设模态法、La-grange方程和动量守恒原理,推导了一种自由浮动柔性双臂空间机器人协调操作刚性负载闭链系统的动力学模型。针对空间柔性机械臂的弹性形变和振动问题,设计了线性二次型最优控制方法对其进行振动主动控制,并通过仿真实验验证了该方法的有效性。     

全向旋翼机械臂设计、建模及动态补偿PID控制

设计了一种新型全向驱动旋翼机械臂系统,研究了其建模方法并提出了基于动态补偿PID的旋翼平台全向驱动控制方法。首先设计并分析了新型全向驱动旋翼机械臂机构;然后采用Craig参数法与递归Newton-Euler方程建立系统运动学与动力学模型,得出了旋翼平台与机械臂间动力学关系;针对旋翼平台全向驱动控制问题提出了动态补偿PID控制方法,最后推导出统一的多旋翼平台驱动力/力矩与转速的耦合矩阵方程实现设计与解耦计算。仿真考虑了随机噪声与扰动、参数不确定性、功率限制等实际问题,结果显示设计的系统能完成传统旋翼机械臂理论上无法完成的全向驱动控制并具有良好的控制品质,与Backstepping方法比较得出,在具有机械臂运动的任务级控制中,动态补偿PID控制有更好的控制精度和更强的扰动抑制能力。动态补偿控制实验验证了方法的实用性与有效性。     

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。     

漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动法的模糊控制和柔性振动主动控制

讨论在载体位置不受控、姿态受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂载体姿态与关节轨迹跟踪的模糊控制及柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日假设模态法并结合系统动量守恒关系,建立柔性空间机械臂系统的动力学方程。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和振动控制可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,设计PD控制器来对柔性杆件的振动进行主动抑制;同时,设计解耦的模糊逻辑控制器来保证慢变子系统载体姿态及关节轨迹的跟踪。由于在系统动力学方程的推导中消去柔性空间机械臂载体位置项,该模糊控制器还同时具有不需要测量反馈载体位置、移动速度、移动加速度项的优点。最后的数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。     

基于RBF神经元网络的漂浮基空间机械臂关节运动自适应控制方法

讨论了栽体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基空间机械臂关节运动的控制问题.由拉格朗日第二类方法及系统动量、动量矩守恒关系,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程.以此为基础,借助于RBF神经网络技术、Ge-Lee(GL)矩阵及其乘积算子定义,对漂浮基空间机械臂进行了神经网络系统建模;针对空间机械臂系统所有惯性参数均未知的情况,设计了漂浮基空间机械臂关节运动的自适应神经网络控制方案.提出的控制方案不要求系统动力学方程具有通常的关于惯性参数的线性性质,且无需预知系统惯性参数的任何信息,也无需对神经网络进行离线训练、学习,此外,由于充分利用了空间机械臂的系统动力学特性,因此在控制过程中不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度、移动加速度以及姿态转角的角速度、角加速度.一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真证实了该方案的有效性.     

凿岩机器人三角钻臂的运动研究

针对凿岩机器人三角钻臂精确运动控制困难的问题,对三角钻臂的机械结构进行了运动解耦分析。首先通过D-H坐标系法建立了多关节闭链钻臂的完备运动学方程,构建了三角钻臂运动位置与支臂油缸长度的数学模型;随后基于三角钻臂特定结构约束下的运动特点,利用空间几何解法,构建了相对简单的运动数学模型,同时在此基础下提出了三角钻臂运动的一般控制流程;最后结合具体实例分析两种不同模型下的计算结果并与相同条件下的三角钻臂三维模型的测量结果进行了相互验证。研究结果表明:运动解耦分析所建立的运动数学模型正确性得到了验证,这可以为钻臂的精确定位控制打下基础。