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。     

基于多传感器的工业机械臂精细化操作远程控制方法

为实现远程控制工业机械臂时的精细化操作,使其关节轨迹具有连续、平稳、光滑的控制效果,提出基于多传感器的工业机械臂精细化操作远程控制方法。优化传感器的布局,以便采集信息;利用新息变化野值检测方法消除工业机械臂精细化操作中存在的野值,提高关节角度与速度信息的完整性和精度;将滑模控制与神经网络结合,消除因非线性、摩擦非线性和未知参数等不确定性因素对机械臂精细化操作的影响,构建工业机械臂操作远程控制器,实现工业机械臂精细化操作的远程控制。实验结果表明,所提方法可精准控制工业机械臂的关节角度与速度,具有较高的灵活性和高效性。     

七轴机器人运动控制与奇异摄动算法研究

为满足极端环境对机械臂在集成度和性能方面的特殊要求,提出一种具有高集成度机构的七自由度机械臂,该手臂具有高阶、非线性、强耦合等特点。首先,分析了机械臂结构末端手腕的灵活性和紧凑的特点;其次,建立了机械臂的运动学模型,从正逆运动学两个角度对机器人的结构特征进行了描述,并以其位置与姿态解耦的特点为突破口开发了机械臂的运动学算法;再次提出了一种基于奇异摄动的控制方法,通过振动抑制方法将系统分为快慢两个子系统,实现降阶作用。最后通过实验,通过绘制正逆运动算法的机械臂轨迹曲线,同时针对降阶后的系统设计控制器进行系统分析。实验结果验证了算法的有效性和精确性。     

基于柔性补偿的行星表面采样机械臂控制策略研究

为了适应行星表面较大范围采样及系统减重需求,行星表面采样机械臂通常由细长的臂杆和多个旋转关节串联组成,柔性特征明显。针对4自由度行星采样机械臂,提出基于柔性补偿的控制策略,以提高机械臂的运动精度。基于混合坐标法建立考虑关节和臂杆弯曲变形的机械臂运动学模型,计算机械臂末端柔性偏差;设计机械臂末端笛卡尔空间加速度连续平滑的变加速-匀速-变减速的运动路径,并在期望路径中实时补偿柔性偏差项;基于simulation X软件,建立精细的动力学和关节控制器模型,对机械臂的典型任务进行仿真,验证控制算法的有效性。结果表明,采用柔性补偿的控制策略能够明显提高机械臂的动态跟踪精度及末端定位精度。     

基于YOLOv5与迁移学习的目标检测和机械臂抓取位姿估计

针对传统机器学习算法视觉识别准确率低、运行时间缓慢等问题,研究针对家庭场景中机器人做家务的场景,利用RGB图像信息为输入,完成对目标物体的抓取位姿估计。以目标检测模型YOLOv5s为基础,利用其轻便、速度快的优点,结合数据增强以及迁移学习搭建网络架构,搭建家庭场景数据集;将少量训练样本进行数据增强后,利用迁移学习将模型在目标数据集上训练,同时微调参数,将目标物体的定位信息通过坐标变换转换为机械臂的抓取位姿,控制机械臂最终以固定抓取姿态完成抓取任务;最后,通过搭建实验平台,操纵UR5机械臂进行实际抓取实验,验证了算法的有效性。提出的基于目标检测的方法速度快、实时性高、误/漏识别率小于2%,应用在机械臂抓取上可以高效地完成任务。     

基于DSP的机械臂约束预测控制系统设计

针对机械臂的实时控制问题,基于约束预测控制,提出了一种机械臂实时运动控制方法。介绍了机械臂动力学模型并进行了线性化处理,以降低算法复杂度、保证实时性。设计了轨迹跟踪控制器和约束预测控制器,其中轨迹跟踪控制器采用最优反馈控制律,可确保机械臂按参考轨迹运动;而约束预测控制器则在考虑机械臂物理约束的情况下,为跟踪控制器提供最优参考轨迹。以DSP作为核心控制器,搭建了机械臂控制系统,同时给出了硬件和软件设计方法。以梯形和三次多项式轨迹为例,进行了系统功能测试,测试结果表明了所述控制系统的可行性和有效性。     

轻量化行星采样机械臂虚拟样机系统

针对行星探测车采样机械臂开发效率低及成本高的问题,采用虚拟样机技术,对探测车采样机械臂的结构、功能、功耗及控制系统等方面进行了研究,提出了一种轻量化、低功耗、多功能四自由度采样机械臂的设计方案,确定了各关节的驱动方案,并对驱动部件进行选型。基于SolidWorks软件,实现三维模型的建立,并利用ADAMS软件,建立采样机械臂动力学模型。应用D-H法建立采样机械臂关节坐标并确定连杆参数,求解正、逆运动学公式,采用三次多项式方法对关节空间进行轨迹规划。利用ADAMS和Matlab搭建虚拟样机联合仿真系统,进行联合仿真实验。仿真结果表明,该采样机械臂设计方案合理,达到轻量化、低功耗目的,控制系统稳定可靠,能够实现支起、收回、采样等功能。     

压电柔性机械臂系统辨识与振动主动控制

以Euler-Bernoulli悬臂梁为实验模型,研究了压电柔性机械臂系统的模型建立和振动主动控制的问题。首先,针对柔性构件在建模过程中的复杂性和非线性等特点,采用实验辨识的方法建立了由压电致动器输入到压电传感桥路的输出之间的传递函数模型;其次,对于压电柔性机械臂的弹性振动问题,基于线性二次型最优控制理论,针对加权矩阵难以解析的关键问题,将遗传算法应用于控制器的设计中,对加权矩阵进行优化设计;然后,在理论研究的基础上搭建硬件实验平台,编写了软件测控程序,并开展压电柔性机械臂振动控制的实验研究;最后,对柔性臂在自由衰减和持续激励的情况下分别进行振动主动控制实验。实验结果表明,柔性臂在2种激励下的振动均得到了有效抑制。     

一种六自由度串联机械臂的研制

设计了一款六自由度串联机械臂,并对其机械结构与控制系统进行了详尽的论述。机械臂采用关节式的结构,工作灵活,可达空间大;基于PMAC多轴运动控制器搭建了切实可行的运动控制方案,控制系统具有很好的实时性和可扩展性。实验结果表明研制出的机械臂各关节运转良好,控制系统稳定、可靠,达到了设计目标。     

柔性机械臂振动压电抑振新方法

针对含有压电智能结构的柔性机械臂,提出基于模糊PID融合控制理论柔性机械臂振动主动控制方法.搭建了平面1R柔性机械臂实验装置,并设计了相应的控制系统,通过实验实现了柔性机械臂振动的主动控制.     

基于人机工程学的虚拟机械手臂运动控制方法

考虑到机械手臂在运动时会受到关节阻尼的作用,使手臂控制的全局稳定性降低的问题,提出一种基于人机工程学的虚拟机械手臂运动控制方法.首先,利用人机工程学构建人体模型架构,将其分为架构层、形态层与尺寸层,并以参数化形式描述表示;然后,通过解析人体模型获取各个关节的连接作用与功能,并计算虚拟机械手臂的运动坐标和运动矢量;再根据雅克比矩阵计算得到机械手臂末端的运动速度;最后,通过构建模糊逻辑系统得到控制模糊隶属度函数,并拟定为输入量输入至运动控制器内,完成对机械手臂的运动控制.     

A robust real time adaptive controller design for robot manipulator with eight-joints based on DSPs

In this paper we propose a new technique to the design and real-time control of an adaptive controller for robotic manipulator based on digital signal processors. The Texas Instruments DSPs (TMS320C80) chips are used in implementing real-time adaptive control algorithms to provide enhanced motion control performance for robotic manipulators. In the proposed scheme, adaptation laws are derived from model reference adaptive control principle based on the improved Lyapunov second method. The proposed adaptive controller consists of an adaptive feed-forward and feedback controller and time-varying auxiliary controller elements. The proposed control scheme is simple in structure, fast in computation, and suitable for realtime control. Moreover, this scheme does not require any accurate dynamic modeling, nor values of manipulator parameters and payload. Performance of the proposed adaptive controller is illustrated by simulation and experimental results for robot manipulator with eight joints at the joint space and cartesian space.     

Design and implementation of a novel modal space active force control concept for spatial multi-DOF parallel robotic manipulators actuated by electrical actuators

Robotic spine brace based on parallel-actuated robotic system is a new device for treatment and sensing of scoliosis, however, the strong dynamic coupling and anisotropy problem of parallel manipulators result in accuracy loss of rehabilitation force control, including big error in direction and value of force. A novel active force control strategy named modal space force control is proposed to solve these problems.Considering the electrical driven system and contact environment, the mathematical model of spatial parallel manipulator is built. The strong dynamic coupling problem in force field is described via experiments as well as the anisotropy problem of work space of parallel manipulators. The effects of dynamic coupling on control design and performances are discussed, and the influences of anisotropy on accuracy are also addressed. With mass/inertia matrix and stiffness matrix of parallel manipulators, a modal matrix can be calculated by using eigenvalue decomposition. Making use of the orthogonality of modal matrix with mass matrix of parallel manipulators, the strong coupled dynamic equations expressed in work space or joint space of parallel manipulator may be transformed into decoupled equations formulated in modal space. According to this property, each force control channel is independent of others in the modal space, thus we proposed modal space force control concept which means the force controller is designed in modal space. A modal space active force control is designed and implemented with only a simple PID controller employed as exampled control method to show the differences, uniqueness, and benefits of modal space force control. Simulation and experimental results show that the proposed modal space force control concept can effectively overcome the effects of the strong dynamic coupling and anisotropy problem in the physical space, and modal space force control is thus a very useful control framework, which is better than the current joint space control and work space control.     

软体机械手遥操作系统的设计与分析

面向气动软体机械手在远程非结构化环境下作业的工作需求，搭建了软体机械手遥操作系统。基于“快速气动网络”及模块化可拆卸原则，设计制作了软体弯曲致动器，根据实验需要组装成仿人手形软体机械手。在Yeoh模型基础上建立了软体致动器的力学模型并借助仿真分析加以修正，为软体致动器的控制提供了理论依据。设计了遥操作系统的总体结构，提出了气动软体机械手的驱动模式与控制策略，在C#窗体应用程序中开发了客户端软件。基于蒙皮技术在3D Max软件中对软体致动器进行建模，在Unity3D中搭建了虚拟作业场景，通过脚本程序设计实现远地端反馈信息对软体末端的运动控制和对目标对象的碰撞与拾取。开展软体致动器弯曲角度与充气气压实验，验证分析力学模型的准确性；开展遥操作手势映射实验，分析与探讨软体机械手遥操作系统的可行性及其进一步研究与应用。     

Properties and structure of dynamic robot models for control engineering applicationsStructure et proprietes des modeles dynamiques robotiques a appliquer au controle automatique

Controller design for robotic manipulators requires a fundamental physical understanding of the properties and structure of dynamic robot models. This paper focuses on the Lagrangian formulation which is attractive from both the dynamic modeling and control engineering points-of-view. Physical and mathematical properties and structural characteristics of the complete dynamic robot model are demonstrated. Implications of the model for control system analysis and design are then indicated. Physical interpretation leads naturally to the decomposition of the model into the positioning arm and end-effector subsystems and motivates the application of decentralized control to robotic manipulators. The authors then propose the application of control the positioning arm and artificial intelligence and intelligent sensors to control the end-effector.     

柔性欠驱动机械臂动力学耦合分析

为建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学方程,采用Euler-Bernoulli梁模型并添加经迭代计算的边界条件,对柔性机械臂进行了动力学耦合与仿真分析。在对柔性机械臂进行模态分析的基础上,将柔性机械臂视为包含边界条件的悬臂梁和简支-自由梁模型,采用假设模态法建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学模型。仿真结果证明：添加经迭代计算的边界条件的柔性梁模型能更好地反映自由关节的加速度耦合情况。最后对柔性欠驱动机械臂与刚性欠驱动机械臂进行关节耦合指标分析,结果表明柔性欠驱动机械臂的自由关节包含更复杂的耦合情况,对柔性机械臂弹性振动的控制是对柔性欠驱动机械臂控制的关键。     

四自由度机械臂运动学分析及Matlab仿真

针对开发的两轴平行两轴耦合特点的四自由度机械臂UsstRobot提出一种改进的代数解法,采用Denavit-Hartenberg方法建立以关节角为变量的机械臂运动学模型,运用矩阵逆乘的方法分离变量,求得了运动学正解和逆解;采用三次多项式插值的方法对机械臂轨进行规划,将运动学解导入Matlab Robotics Tool仿真,得到各关节角度及速度,加速度与时间关系曲线。运动学解及仿真结果在机械臂实际运动中得到了验证。     

具有简单重力补偿的机械手反馈控制

讨论在关节空间中机械手的反馈镇定问题。首先通过构造新的 L yapunov函数 ,证明了 PD控制规律加简单的 (期望位置的 )重力补偿可以全局镇定刚体机械手系统 ,改进了需要精确重力补偿的 PD控制规律。进一步利用机械手动力学方程中的无源性 ,提出了具有简单重力补偿的动态输出控制规律。由于期望位置的重力可以离线计算 ,因而大大地简化了所得控制算法的计算量     

Implementation of robust adaptive control for robotic manipulator using TMS320C30

A new adaptive digital control scheme for the robotic manipulator is proposed in this paper. Digital signal processors are used in implementing real time adaptive control algorithms to provide an enhanced motion for robotic manipulators. In the proposed scheme, adaptation laws are derived from the improved Lyapunov second stability analysis based on the adaptive model reference control theory. The adaptive controller consists of the adaptive feedforward and feedback controller and PI type time-varying control elements. The control scheme is simple in structure, fast in computation, and suitable for implementation of real-time control. Moreover, this scheme does not require an accurate dynamic modeling, nor values of manipulator parameters and payload. Performance of the adaptive controller is illustrated by simulation and experimental results for a SCARA robot.