柔性机器人动力学分析与控制策略综述

综述了柔性机器人动力学分析和控制等相关问题,对柔性机器人动力学分析中变形场的离散化、建模方法、近似分析等问题进行了系统分析。详细介绍了被动控制、PID控制、模糊控制、神经网络控制、自适应控制、鲁棒控制、变结构控制、奇异摄动控制和非线性控制等在柔性机器人控制中的应用情况。指出了在柔性机器人动力学建模和控制中应解决的问题,这对包括柔性机器人在内的多柔体系统动力学建模与控制问题的研究有一定的促进作用。     

受限柔性机器人臂的动力学分析

针对柔性机器人臂操作受作业环境约束的刚性负载，建立了系统的动力学模型。根据物体与作业环境的约束关系。推导出系统的正动力学模型。以期望的被操作物体的轨迹和物体与环境的作用力为边界条件，推导出系统的逆动力学模型，由此所求出的柔性机器人臂的输出关节角和关节驱动力矩可使机器人臂操作物体准确地实现期望轨变和与环境的作用力，并就具有三柔性杆机器人臂操作刚性负载进行了仿真，验证了方法的有效性。     

柔性冗余度机器人振动中的混沌现象

研究了柔性冗余度机器人末端振动中的混沌现象.通过有限元方法和拉格郎日方程建立动力学模型.运用混沌数值分析方法中的相图法、Poincare映射法、最大李雅普诺夫(Lyapunov) 指数法,发现了该类机器人末端振动中存在混沌现象.对一平面3R柔性机器人研究表明,以机器人的刚性运动进行轨迹规划,基于雅可比矩阵的伪逆求解运动学逆解,重复跟踪工作空间内的封闭路径时,末端柔性变形之中存在混沌运动.     

平面柔性并联机器人动力学建模

利用有限元理论研究柔性并联机器人动力学建模的理论和方法,分析各支链的弹性位移及其耦合关系,建立柔性并联机器人系统的运动约束条件和动力约束条件。综合考虑构件的分布质量、集中质量以及杆件的剪切变形、弯曲变形、拉压变形和横向位移的影响,运用运动弹性动力学理论和Lagrange方程,推导出平面柔性并联机器人的动力学方程。以平面3-RRR柔性并联机器人为例,说明该动力学模型能正确反映柔性并联机器人的弹性振动特性,杆件的弹性变形对机器人动平台的位置误差和方向误差具有重要影响。     

柔性冗余度机器人振动主动控制

采用振动主动控制方法降低柔性冗余度机器人的弹性动力响应。设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏连杆 ,建立了离散时变受控系统的状态空间表达式。利用 Bellman动态规划设计 L QR状态反馈控制器 ,并提出了一种状态估计的近似方法。平面 3R柔性冗余度机器人的仿真算例表明 ,采用该方法可以使柔性冗余度机器人的动力学性能得到显著的改善     

柔性多关节移动机器人末端残余振动控制研究

针对目前柔性多关节移动机器人末端残余振动控制方法控制跟踪误差大,控制柔顺性差问题,提出一种新的控制方法.通过简化概念模型分析柔性关节,利用确定弹性势能、机械动力、运行轨迹建立柔性多关节移动机器人末端动力学模型.分析信号与关节点之间角度,确定柔性多关节移动机器人末端运动误差,建立误差模型,利用DETMAX算法分析运动参数,实现最小姿态选取,利用运动参数,实现振动控制.研究结果表明,引入运动学参数后,在控制机器人运动过程中会考虑阻抗能力和柔顺性能,机器人以线性系统的方式运行,各关节运动都得以优化,末端残余振动受到有效抑制,跟踪误差得到有效减小,移动机器人关节柔性更好.     

柔性冗余度机器人的振动控制

研究了柔性冗余度机器人振动控制问题。利用冗余度机器人的冗余特性，经运动规划提高机器人的运动精度；然后在此基础上，在柔性臂上加压电作动器和应变传感器采用主动控制的方法来减振。通过一个平面3R机器人算例，验证了这两种控制策略结合的有效性。     

柔性机器人躲避振动的一种方法

对于柔性机器人而言 ,系统柔性所引起的振动使得机器人很难准确地跟踪预定的末端轨迹 ,因此如何有效地减小柔性机器人的振动是一个非常重要的研究课题。本文对柔性机器人躲避振动的方法进行了研究。首先分析了影响柔性机器人末端振动变形的因素 ,在此基础上得出了在结构参数和末端运动轨迹不变的情况下 ,通过适当调整关节运动参数可以使柔性机器人有效躲避振动的结论 ;然后研究了机器人末端运动参数与关节运动参数之间的关系 ,提出了通过规划机器人末端运动参数从而调整关节运动参数 ,以使机器人能够有效躲避和减小柔性振动的方法 ,并且给出了相应的算法 ;最后通过数值仿真验证了该方法的有效性     

冗余度柔性机器人复模态振动主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题；建立了受控系统的状态空间表达式；获得了压电作动器的实际控制电压，并根据连杆中点的应变信号对受控系统的状态进行了近似估计。仿真算例表明，该方法可以显著改善受控系统的动力学性能。     

柔性臂机器人协调操作的内力分析

针对柔性臂机器人协调操作刚性负载这种情况,提出了一种无内力载荷分配法。将此方法和基于绝对坐标并以被操作物体质心的实际位置而不是名义刚性益为边界条件的递动力学模型相结合,可使协调机器人之间具有较小的内力。同时较准确地实现期望轨迹。对两个三柔性臂机器人协调操作刚性负载进行了仿真,验证了本方法的有效性。     

柔性冗余度机器人振动主动控制系统特性分析

研究了基于机敏材料的柔性冗余度机器人振动主动控制系统的可控性与可观性。建立了受控系统的状态空间表达式，提出了离散时变系统的可控性与可观性分析的简化判据，为设计状态反馈控制器与状态观测器以改善柔性冗余度机器人的动力学品质奠定了基础。最后，以具有一个位置冗余度的平面3R柔性机器人为例，进行了计算机仿真。     

Active robust vibration control of flexible composite beams with parameter perturbations

In this paper, a time domain approach is presented to treat the problem of active controlling simultaneously the bending and torsional vibration of flexible composite beams under both mode truncations and parameter perturbations. In the proposed approach, the residual model, which is known as unstructured uncertainty, is viewed as an additive perturbation to the controlled model. Based on a state space model, which incorporates both bending and torsional deformation effects, of the flexible composite beam with piezoelectric sensors and actuators, a robust stability condition is derived to guarantee that both bending and torsional vibration of the flexible composite beam, which is subject to both mode truncation and linear time-varying parameter perturbations, can be actively controlled by an observer-based controller. The proposed robust stability condition gives an insight into the relationship between the stability margins of the controlled and residual mode subsystems, spillover effects and additive time-varying parameter perturbations. Finally, an active robust vibration control problem of a cantilevered flexible composite beam with piezoelectric sensors and actuators is provided for illustration.     

柔性自适应桁架结构的振动控制方法实验研究

为提高结构对外部环境的抗干扰能力,构造了空间柔性自适应桁架结构,并对其主动控制进行了研究。通过加速度传感器测量位移的实验,建立了由dSPACE数据采集与处理系统、压电传感器、压电作动器、桁架结构和微机实时测控组成的实时计算机控制系统。基于自适应桁架结构的有限元理论,采用改进的二次积分力反馈控制方法,研究了空间柔性自适应桁架结构的振动主动控制问题。通过正弦激励进行了实时控制实验,给出了控制前后节点18x方向的位移振幅抑制变化情况及功率谱响应曲线。实验研究结果表明,该控制方案对空间柔性结构的低频大幅振动有很好的控制效果。     

The investigation of unbalanced vibration in flexible motorized spindle-rotor system

Unbalance is a significant concern for spindle-rotor dynamic systems and an important problem in high-speed machining. An active control scheme with built-in force actuator is proposed for unbalanced vibration of flexible motorized spindle-rotor, which is to improve the performance of high-speed machining system. At first, the motorized spindle motor with built-in force actuator and flexible motorized spindle-rotor are designed and then the experiment setup based on digital signal processor for controlling actively the unbalanced vibration of flexible spindle-rotor is tailored. Finally, the active vibration control scheme is investigated experimentally based on previous theoretical studies. The experimental results prove the feasibility of the active control scheme.     

Vision/force control of parallel robots

In this paper, force and position control of parallel kinematic machines are discussed. Cartesian space computed torque control is applied to achieve force and position servoing directly in the task space within a sensor-based control architecture. The originality of the approach resides in the use of a vision system as an exteroceptive pose measurement of a parallel machine tool for force control purposes. Three different mechanical structures with different degrees of freedom are considered to validate the approach.     

三指机器人手的操作过程及其控制

描述了 3指机器人手的各种操作过程 ,用一台工业控制计算机完成手指运动、手指抓力与手指转角定位等控制以适合各种操作过程。经计算机动态仿真和实验 ,结果表明这种手爪能适应不同形状、软硬物体的抓取 ,可用于教学、科研和一般工业应用领域。     

调节阀振动原因分析及防范措施

分析了调节阀振动和噪声产生的原因，提出了有针对性的改进和防范措施。     

柔性臂空间机器人的神经网络自适应控制及振动模态分级模糊控制

由于太空中的在轨作业一般要求空间机器人具有手臂长、负载大,对空间机器人动力学及控制进行分析时必须考虑到机械臂杆件的柔性问题。为此探讨了参数未知柔性臂空间机器人载体姿态、关节协调运动控制及柔性振动抑制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用Lagrange方法建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学方程。运用奇异摄动理论的双时间刻度分解,导出了适用于控制系统算法设计的奇异摄动数学模型。利用该模型,针对慢时标子系统——等价刚性空间机械臂,设计了系统参数不确定情况下的径向基函数神经网络补偿控制算法,以控制柔性臂空间机器人的载体姿态及机械臂关节铰协调地来完成各自在关节空间的期望运动;神经网络控制算法的研究目的是基于神经网络良好的在线自学习能力,大大提高整个系统的控制精度。针对快时标子系统——柔性臂的振动,设计了分级模糊控制算法来主动抑制柔性杆的振动。分级模糊控制算法的研究目的是为了减少模糊规则库的大小,有效提高模糊控制器的计算效率。通过计算机仿真验证了提出方法的有效性和可行性。