高加速度运动系统的非线性摩擦前馈补偿控制

高加速度运动系统中非线性摩擦的建模补偿对提高轨迹跟踪性能至关重要。本文针对传统参数化模型难以准确预估高加速度运动启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦的问题,在传统模型结构的基础上,结合扩展Stribeck模型,提出一种扩展参数化模型,模型参数的训练和学习样本源于高精度迭代学习控制获取的有限轨迹下非线性摩擦前馈补偿数据,并采用Levenberg-Marquardt算法拟合模型参数。最后,在音圈电机驱动的高加速定位平台上针对不同运动轨迹进行了实验验证。结果表明,该方法能够克服传统参数化模型难以消除高加速度启停阶段摩擦过冲等非线性摩擦对轨迹跟踪精度的影响;且与迭代学习控制的轨迹跟踪精度接近,有效避免了迭代学习泛化性差等问题,可实现工作空间下任意轨迹的摩擦补偿。     

飞机主动侧杆摩擦补偿研究

针对飞机主动侧杆系统中存在非线性摩擦因素,导致在飞机主动侧杆伺服系统中位置跟踪不精确,侧杆跟随性能下降的现象,在三环控制的基础上研究了Stribeck摩擦补偿方法。对Stribeck摩擦模型开展研究,并通过实验辨识其参数,将摩擦模型引入到飞机主动侧杆伺服系统中设计摩擦补偿方法,通过前馈补偿的方式在三环控制的基础上实现摩擦补偿。通过仿真和实验,对侧杆伺服系统摩擦补偿的可行性进行了验证。实验结果表明,所研究的摩擦补偿方法,提高了系统的稳态跟踪精度,具有较好的动态响应性能。     

二次调节主动升沉补偿实验平台的摩擦辨识与补偿控制

以二次调节主动升沉补偿实验平台为研究对象,针对系统中存在的非线性摩擦转矩,提出摩擦辨识及补偿方案。首先,选用Stribeck模型描述系统摩擦,建立了包含非线性摩擦转矩的平台数学模型;其次,根据平台特点设计摩擦辨识策略,使用最小二乘算法辨识得到未知系统参数,在此基础上拟合Stribeck曲线获取摩擦模型参数;然后,通过摩擦前馈和非线性PID实现摩擦补偿控制,提高升沉补偿精度;最终,实验验证了所提方案的有效性。     

考虑温度影响的机器人关节摩擦模型

为描述连续运转下的温度对串联机器人关节摩擦的影响,提出一种考虑温度影响的关节摩擦模型。该摩擦模型可在无需对温度进行测量或估计的前提下描述关节温度变化对关节摩擦的影响。通过实验测量了机器人关节在不同角速度下连续运转时的摩擦力矩,并基于理论模型对数据进行了拟合。实验结果对比验证了该关节摩擦模型的有效性,且该模型能较为准确地描述连续运转下关节摩擦力矩的变化。     

挖掘臂的液压缸摩擦模型辨识与分析

挖掘臂的液压缸摩擦力使系统动态特性恶化,对其进行有效的摩擦补偿是提高控制性能的关键。为获得液压缸的精确摩擦模型,建立了铲斗关节动力学方程,方程中分别采用了库仑摩擦、库仑+黏性摩擦及Stribeck摩擦模型。针对系统中存在的有色噪声,采用了改进的递推最小二乘法辨识未知参数。将辨识的三种摩擦模型进行对比分析表明,Stribeck摩擦模型精度最高,能很好地预测液压缸驱动力。其中,Stribeck摩擦模型的辨识误差比库仑+黏性摩擦及库仑摩擦分别减少约8%与18%。     

工业机器人空间位置精度预测模型研究

预测工业机器人空间位置精度对高精度加工具有重要影响,分析影响其空间位置精度的因素,提出一种考虑结构参数误差及关节刚度、摩擦特性参数的空间位置精度预测模型。应用激光跟踪仪辨识工业机器人结构参数与名义值间存在的偏差,分析关节转角偏差随工况的变化,提出关节刚度和关节摩擦参数辨识方法,在ADAMS环境下建立空间位置精度预测模型。以UR5机器人为实验对象,API激光跟踪仪为测量仪器对其空间位置精度进行测量,与预测模型输出结果进行对比,实验结果表明,该模型可准确预测工业机器人空间位置精度,预测精度可达0.5mm。     

便携式手术机器人主手附加力位移补偿方法研究

采用拉格朗日方程和Stribeck摩擦模型,根据便携式手术机器人主手的杆件重力、各关节摩擦力、惯性力对术者真实力感知的影响,建立了含关节摩擦力的动力学模型。基于机器人主手动力学模型,分别建立重力、摩擦力和惯性力三项的补偿模型,通过分析机器人主手力补偿反馈和附加位移的产生原因及补偿原理,提出了相应的补偿反馈力和附加位移补偿方法。通过对初步研究结果进行对比试验,验证该力补偿控制方法可用以平衡主手因自身所带的重力、关节摩擦力和惯性力产生的影响,最终实现术者真实的力感知,提高手术操作精准性。     

基于区间分析理论的摩擦补偿研究

本文采用新型Stribeck模型和区间辨识方法对伺服系统中的摩擦补偿进行了研究。首先,针对Stribeck摩擦模型存在非线性、控制计算量大和不利于控制器设计等缺点,本文对其进行了线性化,并提出一种线性化的Stribeck模型;然后介绍了区间理论的参数辨识方法,并对方法的有效性进行了仿真验证研究;利用所提出的新模型进行了摩擦实验,结果显示该模型可以辨识出摩擦参数,接着设计了前馈摩擦补偿控制器。最后,分别采用阶跃和正弦输入信号进行实验,结果显示采用所设计摩擦补偿器补偿后,两种信号的稳态精度分别提高了26.8%和83.63%,验证了新模型和方法的有效性。本文提出的新型Stribeck模型易于工程应用,所用区间分析理论适用于参数辨识。     

基于LuGre摩擦模型补偿的动态电液测力建模与实验研究

为提高电液测力系统在动态下测量其负载的精度,采用Lu Gre摩擦模型描述动态测力时摩擦力非线性特征,搭建了基于比例阀压力控制的动态电液测力系统,对其在不同油液压力、速度下的摩擦力进行测量,依据实验数据及动、静态参数辨识模型辨识得到动、静态参数,进一步研究油液压力及移动速度对Lu Gre模型中各个参数的影响,得到关于油液压力及移动速度的Lu Gre摩擦模型,之后对油液推力实时补偿,得到基于Lu Gre摩擦模型补偿的动态电液测力精度。实验结果表明,动态电液测力状态下库仑摩擦力、最大静摩擦力及动态参数随油液压力的增大而变大,粘性摩擦系数和Stribeck速度随油液压力的增大而降低;基于Lu Gre摩擦补偿的动态电液测力系统测量精度可达0.45%。     

基于双目立体视觉的工业机器人在线温度补偿

工业机器人在工业现场进行连续高速作业过程中,电机发热和关节摩擦生热将导致机械臂本体温度升高,引起机器人末端定位漂移,严重影响机器人的重复定位精度和作业精度。针对制造现场的工业机器人,提出了一种基于双目立体视觉的温度误差在线补偿方法,并基于微分运动学和双目视觉原理构建了温度误差补偿模型。在机器人末端安装基准球,同时在基座附近固定视觉测量传感器,机器人完成作业循环之后,以不同的姿态带动基准球至传感器视场内进行补偿测量。此外,通过分析各关节参数随时间变化的规律,筛选出符合温度漂移规律的显著性参数进行补偿,有效降低了补偿测量次数和耗时。实验结果显示,补偿后机器人的重复定位精度可维持在±0.1mm的水平,能够显著改善制造现场工业机器人的作业精度,且整个补偿测量过程耗时10s左右。     

串联6自由度机器人关节刚度辨识与误差补偿研究

为提高串联6自由度机器人的绝对定位精度,针对几何参数误差补偿后的工业机器人关节刚度参数展开研究。首先,基于虚拟关节模型建立了工业机器人一维关节刚度误差模型。其次,为提高关节刚度参数的辨识精度与效率,利用BP神经网络对刚度误差模型进行拟合,以优化遗传算法的初始种群适应度。最后,利用激光跟踪仪AT930和ER10L-C10机器人进行实验,验证以上误差模型与关节刚度参数辨识算法。实验结果表明,经过关节刚度误差补偿后,机器人的平均距离误差与最大距离误差分别为0. 248 5 mm与0. 333 2 mm。相比于补偿前的距离误差,机器人定位精度提高了33. 7%。因此,通过改进遗传算法辨识得到的机器人关节刚度参数能够有效地提高机器人定位精度。     

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。     

大脑情感学习控制器的两关节机器人运动控制

由于关节机器人受摩擦、打滑等非线性因素的影响,传统比例-微分控制在解决高精度非线性控制问题时效果不理想。一种基于大脑情感学习控制器(BELC)的两关节机器人非线性运动控制方法被提出。首先,该方法将BELC应用于基于凯恩法的两关节机器人动力模型中,利用传统比例-微分控制方法设定感官输入信号和奖励信号的函数值。然后,针对BELC模型特点,设计了BELC学习速率的动态响应策略,使其能够依据关节机器人实际运动速度变化率而动态变化。最后,分别对传统比例-微分控制、BELC控制及改进后的BELC控制进行了仿真实验,实验结果表明改进后的基于BELC的两关节机器人能够有效抵抗不确定非线性因素对运动控制的影响,从而提高了系统控制精度和响应速度。     

电动舵机伺服系统非线性辨识及补偿

为提高电动舵机伺服系统的跟踪精度,提出了辨识、测试它的摩擦和间隙非线性及对其进行补偿的方法.针对位置和速度双闭环控制的电动舵机伺服系统,建立了基于LuGre摩擦和迟滞间隙的数学模型;依据模型采用前馈补偿方法对系统中的摩擦进行补偿,同时采用逆模型方法对系统中的间隙进行补偿控制.实验显示,对于幅值为1°,频率为2.5Hz的给定正弦信号,补偿后系统的最大位置跟踪误差由原来的0.166°减小到了0.096°,最大速度跟踪误差由原来的2.723 r/min减小到了0.393 r/min.结果表明,本文提出的辨识测试方法能够精确地获得摩擦和间隙模型,基于该模型的补偿能够有效地提高电动舵机伺服系统的跟踪精度.     

精密定位系统的摩擦力建模与补偿

为了提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度,建立了优化Stribeck摩擦模型,对摩擦力这一影响定位精度的主要因素进行补偿。首先,对于传统的Stribeck摩擦模型进行优化,采用改进的最小二乘算法对模型参数进行辨识。然后,对所建立的摩擦模型补偿算法进行仿真并与扰动观测器的补偿算法进行比较,发现前者速度比后者速度在补偿后提高了4.33%,对摩擦力具有更好的补偿效果。最后,在大行程二维精密定位平台上进行验证,根据平台能够达到的最大速度定义0.005 m/s为低速运动,0.05 m/s为高速运动,在这两种速度下进行实验,并与基于库仑摩擦前馈补偿模型比较。实验结果表明：精密定位平台在速度为0.005 m/s的低速运动时,优化模型的跟随误差减小了67.67%;在速度为0.05 m/s的高速运动时,优化模型的跟随误差减小了51.63%,验证了优化Stribeck摩擦模型补偿算法的有效性。本文提出的优化Stribeck摩擦模型可用于提高由直线电机驱动的精密定位系统的定位精度。     

一种并联机器人误差综合补偿方法

针对并联机器人轨迹规划和轨迹跟踪过程中,同时存在机构误差引起的期望轨迹与理想轨迹之间的偏差和非线性摩擦、负载变化等扰动因素引起的动态误差,提出一种并联机器人误差综合补偿方法:在轨迹规划过程中,基于并联机器人位姿误差模型将位姿误差补偿转化为驱动杆参数组合优化问题,进而利用粒子群算法寻优驱动杆参数,修正并联机器人期望轨迹;在轨迹跟踪过程中,设计基于自适应迭代学习控制算法的动态误差补偿策略,实现对期望轨迹的有效跟踪。在Stewart平台下基于ADAMS和Matlab进行仿真试验,在轨迹规划和轨迹跟踪过程中,分别修正期望轨迹偏差并补偿轨迹跟踪动态误差,实现并联机器人误差综合补偿。进一步,基于混联机床进行工件加工试验,验证方法对于提高并联机器人工作精度的有效性。     

水轮机修复专用机器人末端关节摩擦补偿

时水轮机修复机器人的末端关节,建立了包含摩擦非线性因素在内的单关节伺服模型,采用能完善描述摩擦动静态因素的LuGre模型,在MATLAB下将其转换为仿真模型,验证了补偿的有效性,机器人的响应速度、动态特性取得了满意的效果。     

一种机器人单关节伺服系统的能耗研究

以伺服电动机和减速机为主体的机器人单关节伺服系统为研究对象,在实验和仿真的基础上,对该关节系统的摩擦模型、动力学模型以及能耗模型的建模方法以及模型的特性进行了研究。首先,将该单关节系统分解成由高速轴和低速轴构成的抽象模型,基于Lu Gre摩擦模型和lagrange方程法分别建立高速轴和低速轴的动力学模型。在实验的基础上,利用最小二乘法和频响法对Lu Gre摩擦模型的静态参数和动态参数进行辨识。为了降低参数辨识的难度,根据高速轴和低速轴摩擦环境的近似性,建立了单关节系统简化摩擦模型。通过仿真和实验的对比分析,结果表明:建立的摩擦模型能够很好地反映该系统的摩擦行为。建立了考虑摩擦和电动机热损耗因素的能耗模型。通过实验和仿真分析,该动力学模型和能耗模型能够准确地反映关节伺服系统的力矩行为和能耗行为,从而为后续建立机器人多关节伺服系统的能耗模型和能耗优化控制提供理论基础。     

一种协作机器人非线性刚度建模方法

提出了一种有限元和虚拟关节法相结合的协作机器人非线性刚度建模方法,该方法不仅包含连杆和关节模块线性及耦合刚度,还考虑了机器人传动系统非线性刚度、负载作用下雅可比矩阵变化率以及负载和自重引起的位姿变化对机器人刚度非线性的影响.通过有限元子结构法提取机器人各模块的结构刚度矩阵,与传动系统非线性刚度模型相结合,建立机器人各模块的非线性综合刚度模型;采用数值计算方法计算在外力和自重工况下的静力平衡位姿及各模块受力情况;基于虚拟关节法构建机器人的非线性刚度模型,通过非线性有限元仿真验证了该建模方法的正确性.     

基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法

运动轨迹精度是工业机器人重要的性能评价指标,从机器人运动学角度研究工业机器人轨迹精度提高补偿方法。以SR4C六自由度工业机器人为研究对象,基于国标中对机器人轨迹精度的评定标准,提出一种基于运动学分析的工业机器人轨迹精度补偿方法,并建立了曲线运动轨迹偏差与运动学模型参数误差映射的机器人运动轨迹误差数学模型。在实现激光跟踪仪和机器人坐标系统一的快速有效的坐标系转化方法的基础上,采用改进最小二乘算法选择轨迹偏差最小时的最优运动学参数,对构建的机器人轨迹测试与补偿实验系统进行了轨迹补偿实验,验证了该方法的有效性。结果表明,经该方法补偿后机器人平均位置误差由3.65%提高至0.79%,直线、圆弧轨迹精度分别提高了38.75%、25%。