欠驱动余度机械臂的无碰撞运动规划与控制

基于周期运动的非线性动力学分析,发现欠驱动机械臀在小幅振动输入条件下有运动漂移现象,即当欠驱动机械臂的主动关节小幅振动时,被动关节的平衡位置将发生漂移。基于这一现象提出了被动关节位置控制的余弦函数小振幅控制方法:把人工势场方法引入冗余度机械臂的避障运动规划,提出了欠驱动冗余度机械臂的虚拟模型运动规划方法:把以上两种方法有机结合,提出了一种欠驱动冗余度机械臂的避障运动规划和控制方案,对平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果表明这一方法是可行的。     

运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正方法

运动助力机械臂的轨迹跟踪控制是实现高精度工作的关键。由于运动助力机械臂参数存在的不确定性等因素，导致运动助力机械臂轨迹跟踪误差较高，为此，提出了运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正方法。分析运动助力机械臂空间位置和变换关系，根据运动助力机械臂关节与连杆之间的空间坐标矩阵变换过程，构建齐次坐标变换矩阵，获取机械臂末端执行器的空间位姿矩阵。通过定义机械臂轨迹的相关性特征集，得到机械臂轨迹跟踪误差的校正指标。基于置信概率计算，确定机械臂轨迹跟踪误差校正的约束范围，构建约束参量分析模型。采用遗传算法的原理，求解运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正参数，实现运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正。实验结果表明，所提方法的运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正效果较好，能够有效提高运动助力机械臂轨迹跟踪误差校正精度。     

考虑关节非线性的串联双连杆机械臂工业机器人运动控制

当前,导致多轴工业机器人轨迹跟踪误差的主要非线性因素是各轴上的关节非线性和不同轴间的动力学耦合效应。对此,提出了一种考虑关节非线性的串联双连杆机械臂模型的工业机器人运动控制方法。构造了机械臂运动学和动力学模型,提出了一种参数化建模方法,将连杆的非线性刚度和摩擦力直接辨识为关节非线性,并将该方法应用于具有低频振动特性、对轨迹性能具有重要影响的典型多轴工业机器人的串联双连杆臂,再现串联双连杆机械臂的运动状态,通过数值模拟和实验对比,验证了该方法的有效性。采用含可变陷波滤波器的反馈闭环控制和动态前馈补偿2自由度控制两种控制方案,提高机械臂轨迹跟踪和残余振动抑制的性能。结合4种不同运动形式,开展实验研究,与常规PI轨迹跟踪控制方法进行对比分析。结果表明,采用具有可辨识双连杆动力学模型和带可变陷波滤波器反馈闭环回路的2自由度控制方案能够提高轨迹追踪和残余振动抑制性能。     

基于逆动力学的机械臂鲁棒位置控制方法的设计

机械臂的位置控制准确度有利于提高机械臂工作的可靠性,为了提高机械臂工作过程中对位置控制的平稳性、快速性、准确性和鲁棒性,设计了一种基于逆动力学的机械臂鲁棒位置控制方法。通过对机械臂的电机系统进行分析,获取电机系统的动力学函数。利用转矩到位置转换方法和反演滑模控制方法,设计了一种逆动力学控制器,通过将滑模控制方法与反演控制方法相结合,形成反演滑模控制方法,获取电机转矩控制函数,以提高系统的鲁棒性能。利用转矩到位置转换方法,将获取的电机转矩与电机的当前位置信息相结合,用以求取机械臂的位置控制量,以实现对机械臂的位置进行快速、稳定、准确的控制。利用Matlab/Simulink软件对所设计的机械臂位置控制方法进行了实验验证。验证结果表明:所设计方法不仅能够快速、稳定、准确地对机械臂的位置进行控制,而且设计方法还具有较强的鲁棒性能,能够适应多种激励信号产生位置控制信息。     

有限空间约束机械臂动力学协同仿真方法研究

针对多自由度注塑机械臂系统在有限空间约束条件下作高效两点重复运动需求,提出了一种基于结构动力学和控制系统运动学协同仿真的机械臂轨迹规划与优化方法。运用结构表达式驱动和link函数分别建立机械臂的结构模型和D-H模型,根据机械臂的初始位置和终止位置,对机械臂进行轨迹规划逆向运动求解,获取初始轨迹曲线和各关节角度变化曲线,将NX接口的全部操作编译成独立的M函数嵌入到MATLAB/Simulink模块的动态系统仿真模型中进行轨迹曲线的拟合。得到在有限空间约束的条件下轨迹连续,关节平滑,末端运动时间较短,满足实际需求的一条理想轨迹。     

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。     

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。     

基于自适应滑模控制器的机械臂运动控制方法

由于无法消除机械臂运动过程中存在的高频振动,导致运动控制方法存在跟踪精度低、控制稳定性差和控制性能差等问题。对此,提出一种基于自适应滑膜控制器的机械臂运动控制方法,在机械臂动力学模型的基础上设计非线性观测器,对机械臂控制系统中存在的干扰信号进行观测,设计自适应滑膜控制器对干扰信号进行补偿。将补偿器引入自适应滑膜控制器中,其主要作用是抑制机械臂在运动过程中存在的高频振动,以提高控制稳定性,通过 Lyapunov 函数设计自适应滑膜控制器的总控制律,根据总控制律利用改进后的自适应滑膜控制器完成机械臂的运动控制。实验结果表明,所提方法的跟踪精度高、稳定性好、控制性能高。     

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。     

柔性机械臂的位置主动控制

采用一次近似模型对柔性机械臂的运动跟踪主动控制问题进行研究,控制策略采用最优跟踪控制方法。仿真结果显示,一次近似模型能够较好地对柔性机械臂的动力学行为进行描述,最优跟踪控制方法能使机械臂到达期望的指定位置,并可使机械臂的残余振动得到抑制。     

基于机器视觉的机器人仿生机械手避障轨迹控制系统

以提高机械手末端关节避障控制精准度为目的,提出一种基于机器视觉的机器人仿生机械手避障轨迹控制系统。以具有高灵敏性和主动性的控制器、伺服驱动器、无线通信器以及高网络带宽的传感监测器为硬件基础,采用机器视觉技术捕捉机械手关节动作。然后根据动力学原理建立避障位姿坐标系,代入关节动作数据计算其在坐标系中的位置。在定义控制范围的基础上,根据隶属度函数计算机械手在轨迹方向上夹角,并随机输出一个动态夹角变量。通过对变量值目标求导得出适配性最高的调节阈值,结合实际情况通过阈值调节实现精准控制。实验表明,该系统能够有效控制机械手末端关节避开障碍物达到指定目标位置,应用效果较好。     

基于重力补偿的机械臂PD控制系统研究

针对多关节机器人机械臂数学描述复杂、运动学分析困难的问题,采用逆动力学方法建立机器人双关节机械臂的动力学模型,并对重力项进行补偿,采用对重力矩准确估值的PD控制算法实现机械臂运动轨迹准确跟踪,能够满足机械臂定点控制的要求,具有无超调、初始力矩小等特点,通过仿真实验表明与理论分析结果一致,表明此控制方法的有效性。     

Motion control of industrial robots by considering serial two-link robot arm model with joint nonlinearities

This paper presents a model based motion control approach for industrial robots by considering a serial two-link robot arm model with joint nonlinearities. In order to achieve the desired performance using the model based control approaches, it is important to obtain relevant models of both kinematics and dynamics including nonlinear characteristics. Main nonlinear components that lead to trajectory tracking errors of typical multi-axis industrial robot are joint nonlinearities in each axis and dynamic coupling effects between different axes. In this paper, a parametric modeling approach is introduced to reproduce behaviors of a serial two-link robot arm with joint nonlinearities. Nonlinear stiffness, angular transmission errors, and friction in these two links are directly identified as joint nonlinearities. This approach is applied for the serial two-link arm of a typical multi-axis industrial robot, which has low frequency vibration modes and significantly affects to the trajectory performance. Effectiveness of the modeling is verified by comparative studies with numerical simulations and experiments. Finally, a 2-DOF control scheme with the identified two-link dynamic model and a feedback loop-shaping with a variable notch filter are applied to improve the performance of trajectory tracking and residual vibration suppression.     

Modeling and control strategy of flexible joint servo system in humanoid manipulator driven by tendon-sheath

The control effect of rotational speed in joints directly affects the motion accuracy of a humanoid manipulator driven by tendon-sheath. The dynamic parameters of the joint have time-varying characteristics due to the posture change of the manipulator. The joint driven by tendon-sheath has a specific torsional stiffness, so flexibility should be considered in the humanoid manipulator’s servo system. The time-varying of the parameters in the servo system and the joint flexibility can cause fluctuation of the output speed. To improve the motion accuracy of the humanoid manipulator, a fuzzy-tuned PI control strategy is used to suppress the instability of the output speed. First, the change law of the inertia on the motor side of the flexible joint is calculated by the dynamics equation of the humanoid manipulator. Next, a mathematical model of the joint is established, and the transfer function from the load speed to the electromagnetic torque is obtained. Furthermore, according to the pole-placement strategy, the fuzzy-tuned PI controller parameters are selected appropriately for the manipulator in different postures. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by numerical simulations and control experiments of the manipulator. The results show that the fuzzy-tuned PI control strategy can significantly reduce the tracking errors and improve the control performance of the manipulator.

     

重载搬运机器人的动力学仿真及控制系统设计

关节型重载搬运机器人各运动关节动态性能和能量耗散水平直接影响机器人以及运动规划的可达性。以ABB公司生产的IRB460型重载搬运机器人为研究对象,针对其机械本体结构特性,建立重载搬运机器人三维模型。若仅考虑回转轴、大臂和小臂组成的三个自由度,重载搬运机器人系统模型可简化成空间三关节机器人系统模型;依据拉格朗日力学方程建立重载搬运机器人系统动力学模型,利用机械臂逆运动学和五次多项式插值算法完成对多关节机械臂空间轨迹规划。通过动力学仿真分析可知,重载搬运机器人各运动关节的动态性能变化稳定且能量耗散较小,且能够沿着预定轨迹完成PTP模式的运动控制。最后,搭建控制系统仿真实验平台,提出一种重载搬运机器人控制系统模型,实验结果表明,所设计的重载搬运机器人控制系统能够准确、稳定的控制各运动关节运动,验证了各运动关节驱动电动机功率参数选择的合理性,为实际的工业生产应用奠定了理论基础。     

末端质量和关节惯量对柔性臂运动稳定性的影响分析

采用控制系统稳定性分析方法研究了柔性机械臂的末端质量和驱动关节转动惯量对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响。首先推导了末端有集中质量的柔性机械臂的动力学模型,建立了以驱动力矩为输入、以末端位置弹性振动为输出的柔性机械臂系统的传递函数。然后,用劳斯判据建立了末端位置弹性运动稳定性判据。用建立的稳定性判别式计算并对比了不同末端质量和关节转动惯量下柔性机械臂弹性运动的稳定性,定量验证了这两个参数对柔性机械臂弹性运动稳定性的影响程度。       

基于人体动作姿态识别的机器人仿人运动*

以关节式机器人为对象,进行机器人仿人运动研究。从人体动作姿态识别、人-机动作映射、机器人运动控制等方面,详细阐述机器人仿人运动算法。提出人体动作姿态识别方法,利用Kinect传感器捕获人体运作的关节点位置信息,在建立人体基准坐标系的基础上,为了得到描述肩、肘运动的动作信息,计算人体手臂动作的关节角度,实现人体动作姿态的识别。在分析人体肩、肘等关节和机器人机构差异性的基础上,建立人体手臂与四自由度机械手臂的人-机动作映射规则。针对机器人自由度较少,无法完全复现人体运动的情形,分析、比较不同控制策略的优缺点和适用性,寻求适合机器人操作的复现控制策略。关节式机器人接收运动控制指令,执行相应的关节运动,从而实现机器人仿人运动。相关试验验证了人体动作姿态识别和机器人仿人运动控制算法的有效性。研究成果对于提高机器人控制和操作的简单易用性、提高人机交互能力具有借鉴意义,对于扩展机器人应用领域具有实践意义。     

移动机械臂的输出跟踪控制

移动机械臂通常由移动机器人和装在移动机器人上的机械臂组成。它既具有移动机器人的可移动性又具有机械臂的操作灵活性,有极高的实际应用价值。本文针对由二轮驱动的移动平台和二连杆机械臂组成的移动机械臂的输出跟踪问题,利用滑模控制原理为其设计了动态滑模控制器。首先给出了移动机械臂的简化动态模型,然后通过微分同胚和输入变换将其分解为4个低阶子系统,并给出了其输出跟踪的动态滑模控制器的设计方法。仿真实验表明,所设计的动态滑模控制器不仅能很好地跟踪给定轨迹,而且能有效地削弱滑模控制系统的抖振。     

SCARA机器人的自适应迭代学习轨迹跟踪控制

为了减小执行重复运动任务机器人的末端位置误差,提出了自适应迭代学习轨迹跟踪控制算法。根据拉格朗日方程得到SCARA机器人的动力学模型,设计了控制力矩的迭代算法,利用Lyapunov函数对该算法的稳定性进行了理论证明,搭建了具有典型机械结构的SCARA机器人实验平台。通过实验验证了自适应迭代学习控制算法能有效减小SCARA机器人的末端位置误差,具有较强的可执行性。