基于关节速度的液压比例驱动工程机械臂位姿控制

为了解决液压驱动工程机械臂在实际工程作业中加装位置传感器会使得系统复杂,从而可靠性降低,以及在关节处位置闭环伺服控制会导致液压系统效率降低的问题,提出在比例液压油缸驱动的机械臂中用位姿闭环而非关节位置闭环构成机器人控制系统。使用惯性导航、激光雷达、视觉等获得机械臂末端姿态,通过机器人运动学逆解得到当前关节值,与目标关节值形成闭环从而获得关节速度给定值。通过比例液压系统驱动机械臂关节,进而控制位姿变化。推导了负载敏感比例阀控液压油缸传递函数、陀螺仪姿态解算方程并对机械臂进行逆运动学分析。使用MATLAB/Simulink建立基于关节速度控制的液压驱动机械臂位姿闭环控制仿真模型,进行仿真实验,结果验证了控制方法的可行性。     

干扰观测器与滑模控制结合的机械臂跟踪控制

为了提高机械臂轨迹跟踪的精度和速度,提出了干扰观测器与非线性滑模控制相结合的轨迹跟踪控制方法.建立了机械臂动力学模型,设计了机械臂轨迹跟踪控制方案.将机械臂受到的扰动分为可观测部分和不可观测部分,对于可观测部分,设计了干扰观测器用于估计扰动大小,依据扰动观测值对控制力矩进行补偿,主动消除可观测部分扰动的影响;对于不可观测部分,设计了非线性滑模控制器,用于减小不可观测扰动造成的跟踪误差与抖动.经仿真验证,与传统滑模控制和非线性滑模控制相比,干扰观测器与非线性滑模控制相结合的轨迹跟踪误差减小了一个数量级以上,且跟踪速度最快.     

空间机械臂模块化关节传感系统设计

设计了空间机械臂模块化关节的传感系统,该系统包括力矩传感器、位置传感器、温度传感器和限位传感器等多种传感器.该系统为空间机械臂提供了丰富的感知能力,可实现位置控制、力控制及主动柔顺控制等多种控制策略.为了实现对关节位置的高精度测量,采用传感器信息融合的方法,并建了关节位置精度测量实验台.实验结果表明,关节位置精度可达0.03°,满足技术指标要求.     

基于逆动力学的柔性机械臂力学特性研究

为了对柔性机械臂力学特性问题进行深入研究,通过运用机械臂低振动逆动力学和时变模态展开方法,建立单连杆柔性机械臂的动力学模型,将机械臂自激弹性振动模型引入计算模型中,提出最优输入力矩与扰动最优力矩计算方法,并针对关节处不同工作状态进行动力学响应分析,最后根据计算数据建立相关模型进行数值验证。研究结果表明,柔性机械臂在建模过程中包含非线性项,消除模型线性化误差,给定机械臂结构和运动要求时,可首先算出最优输入力矩,从而对机械臂实现开环控制;通过采用扰动模型,了解柔性作用,算法的收敛性和速度较普通模型有显著提高,结果具有良好的鲁棒性;当关节转动固定后,机械臂端点作谐振动,若振动频率接近机械臂固有频率时,扰动响应发散,反之则为稳态振动;当关节移动固定后,匀速转动,转速小于临界转速时,扰动响应衰减或稳定,反之则发散。     

冗余度机械臂协调容错操作中的关节速度突变

针对两协调机械臂在发生锁定关节故障的容错操作中关节速度突变问题进行了研究。首先将原机械臂关节速度与退化机械臂关节速度之差定义为容错操作中的关节速度突变;然后基于这一指标提出了相应的容错运动规划算法;最后给出了两个平面3R机械臂进行容错操作的仿真实例。研究结果表明,该算法可以有效地避免在容错协调操作中两机械臂出现的关节速度突变,提高容错操作的运动平稳性,从而改善机械臂容错操作的运动学和动力学性能。     

空间机械臂末端力/位容错过程中关节参数突变抑制

为了实现空间机械臂关节失效后容错操作,提出了空间机械臂末端力/位容错过程中关节参数突变抑制方法。基于机械臂关节空间和操作空间的力/速度映射关系,分析空间机械臂末端力/位容错条件,建立机械臂末端容错运动学和动力学方程;进而将运动学可操作度和动力学可操作度分别引入机械臂容错运动学和动力学方程,在此基础上建立机械臂末端力/位容错过程中的关节参数突变抑制优化函数,并利用粒子群算法实现对优化函数的求解。仿真结果表明,该算法能够在实现空间机械臂末端力/位容错的同时有效抑制关节速度和力矩突变。     

气动人工肌肉驱动单关节机械臂的自抗扰控制

针对气动人工肌肉驱动单关节机械臂存在严重的非线性问题,提出一种自抗扰控制策略,来改善单关节机械臂的控制效果。对于给出的不精确系统模型,首先利用跟踪微分器安排输入信号的过渡过程,从而有效地解决了系统的快速性和超调之间的矛盾;其次利用扩张状态观测器观估计出系统状态以及系统的非线性和外部扰动,并对其进行补偿;最后设计了带扩张状态补偿的非线性误差反馈控制器来保证系统的闭环响应性能。实验结果表明,该控制方法在气动单关节机械臂关节关节角度控制方面具有良好的控制效果。     

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。     

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。     

具有接触力感知反馈的2R机械臂设计与控制

针对高端制造过程中机械臂与工件之间应具有接触力感知与控制要求的问题,设计一种具有接触力感知反馈的2R 机械臂(a 2R manipulator with contact force perception feedback,2RM-CFPF).首先,利用堆叠式压电陶瓷传感器设计一种具有接触力感知反馈的机械臂关节,建立关节3D模型并阐述关节结构.然后,基于所设计的关节搭建2RM-CFPF机械臂模型,探究其工作机理并推导出数学模型;结合2RM-CFPF机械臂自身特性,采用基于阻抗滑模控制的运动位置/接触力控制方法,实现2RM-CFPF机械臂的力-位混合控制.最后,进行2RM-CFPF机械臂运动控制仿真实验,仿真实验结果表明阻抗滑模控制法能够有效实现2RM-CFPF机械臂的力-位混合控制,满足高端制造中的接触力感知控制要求.     

基于nRF905的气动肌肉机械手远程遥控实现

为了实现气动肌肉机械手远距离遥感控制,设计了一种基于nRF905无线收发芯片和C8051F020单片机的远程遥控系统,根据人体手臂结构和运动方式特点搭建了一种多自由度气动肌肉机械手样机,并将远程遥控系统作用于气动肌肉机械手样机上,最后对远程遥控系统的控制区域和气动肌肉机械手关节运动进行了实验研究。实验结果表明,该远程遥控系统在室外700 m和室内100 m区域内能够较好的对气动肌肉机械手进行远程控制,并且运行可靠。     

多自由度的危险作业机械臂结构及控制系统

机械臂结构设计以及多自由度的运动控制是危险作业机器人能否胜任作业任务的关键。针对特殊的作业任务要求,采用电液比例控制和直流伺服驱动相结合的关节驱动形式,分析了无线通信系统、基于双目立体视觉的遥操作主从分级控制系统、各关节的伺服控制及所采用的先进控制策略,提出了半自助、自主两种作业模式,并对其实现原理进行了较深入的剖析。最后,创建了机械臂的虚拟样机模型,进行了机械手工作域的仿真分析,结果表明能较好地满足设计要求。     

移动蛇形机械臂空间路径跟踪策略研究

移动蛇形机械臂具有结构细长和多自由度的特点,其运动学逆解不唯一且计算量大成为研究的难点之一。针对某14自由度的移动蛇形机械臂,采用几何推导法设计了基于末端跟随算法的运动控制策略,实现了机械臂末端的精确位置跟踪,避免使用复杂的逆运动学算法进行求解。该策略考虑了机械臂关节角度和基座移动距离的约束,保证在无约束时机械臂各关节都处在前一时刻的关节轴线上,从而缩小机械臂的位形偏移量,使机械臂的运动更加平滑。通过三维空间轨迹跟踪数值仿真,验证了算法的有效性。通过计算效率和运动幅度,对比该策略与基于雅可比矩阵的数值优化法、人工智能优化算法的性能,说明了该策略的适用性。     

柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模

针对柔性关节机械臂在避障完成后位姿与目标位姿存在一定偏差的问题,提出柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模方法。将五次B样条曲线作为柔性关节机械臂避障路径规划的基础,在避障任务中引入速度修正项,通过关节角和关键点避障速度确定速度修正项取值。建立避障路径自动控制数学模型,利用该模型控制柔性关节机械臂在到达目标位置过程中实现障碍物精准规避,完成柔性关节机械臂避障路径自动控制。实验结果表明,所提方法能够减小位姿误差,平稳关节波动,实际应用效果较好。     

基于分数阶微积分的机械臂迭代滑模控制策略研究

为提高工业机械臂的控制性能,将分数阶微积分理论与迭代学习控制及滑模控制相结合,提出一种有效的分数阶迭代滑模控制策略.在控制器的设计过程中,分别采用分数阶趋近律与分数阶滑模控制律两种方法将分数阶微积分引入到迭代滑模控制中,提出分数阶迭代滑模控制策略.并使用李雅普诺夫理论分析系统的稳定性.然后以一个两关节机械臂为例,通过MATLAB仿真对所提出的控制策略进行了验证.实验表明:分数阶迭代滑模控制策略可以有效提高关节的跟踪速度和跟踪精度,减小跟踪误差,具有较强的鲁棒性,并有效地抑制了滑模控制的抖振现象.     

基于分数阶微积分的机械臂迭代滑模控制策略研究

为提高工业机械臂的控制性能,将分数阶微积分理论与迭代学习控制及滑模控制相结合,提出一种有效的分数阶迭代滑模控制策略.在控制器的设计过程中,分别采用分数阶趋近律与分数阶滑模控制律两种方法将分数阶微积分引入到迭代滑模控制中,提出分数阶迭代滑模控制策略.并使用李雅普诺夫理论分析系统的稳定性.然后以一个两关节机械臂为例,通过MATLAB仿真对所提出的控制策略进行了验证.实验表明:分数阶迭代滑模控制策略可以有效提高关节的跟踪速度和跟踪精度,减小跟踪误差,具有较强的鲁棒性,并有效地抑制了滑模控制的抖振现象.     

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。     

数控机床机械手柔性定位控制方法研究

提出了新的数控机床机械手柔性定位控制方法。在柔性条件下构建数控机床机械手双作业臂的运动学模型,基于该模型设计气动定位控制硬件与控制程序,硬件选用光编码器和分周处理器等设备,软件程序通过 PLC 来编制,从而实现对机械手手臂各关节及基座等位置的定位控制。测试结果表明:应用所提方法后,作业臂旋转关节定位变量值与其定位理想值十分接近;作业臂 1 、2 的定位变量值相对误差最高不超过 0.50° 、0.40° ,平均定位误差分别为 52.805 mm 、 58.055 mm 。说明所提方法的定位控制性能能够满足设计需求。     

Feedback attitude sliding mode regulation control of spacecraft using arm motion

The problem of spacecraft attitude regulation based on the reaction of arm motion has attracted extensive attentions from both engineering and academic fields.Most of the solutions of the manipulator’s motion tracking problem just achieve asymptotical stabilization performance,so that these controllers cannot realize precise attitude regulation because of the existence of non-holonomic constraints.Thus,sliding mode control algorithms are adopted to stabilize the tracking error with zero transient process.Due to the switching effects of the variable structure controller,once the tracking error reaches the designed hyper-plane,it will be restricted to this plane permanently even with the existence of external disturbances.Thus,precise attitude regulation can be achieved.Furthermore,taking the non-zero initial tracking errors and chattering phenomenon into consideration,saturation functions are used to replace sign functions to smooth the control torques.The relations between the upper bounds of tracking errors and the controller parameters are derived to reveal physical characteristic of the controller.Mathematical models of free-floating space manipulator are established and simulations are conducted in the end.The results show that the spacecraft’s attitude can be regulated to the position as desired by using the proposed algorithm,the steady state error is 0.000 2 rad.In addition,the joint tracking trajectory is smooth,the joint tracking errors converges to zero quickly with a satisfactory continuous joint control input.The proposed research provides a feasible solution for spacecraft attitude regulation by using arm motion,and improves the precision of the spacecraft attitude regulation.     

基于 CNN-GRU 的遥操作机器人操作者识别与自适应速度控制方法

传统空间遥操作系统中从端机械臂的运动速度完全取决于操作者的操作速度。为了提高空间遥操作系统的安全性,提出了一种基于操作者操作速度识别的自适应速度控制方法。结合深度学习的理论,提出了一种基于卷积神经网络(CNN)和门控循环单元(GRU)神经网络的融合模型来对操作者的速度进行识别分类。选取了九位受试者构建操作者速度样本库,将操作者的操作速度分为3类,最终识别准确率达到92.71%;并且在此基础上使用串级PID实现从端机械臂的自适应速度控制。实验表明:该模型对新操作者也可以准确识别,同时该模型准确性优于卷积神经网络和循环神经网络(RNN)的融合模型,实时性优于卷积神经网络和长短期记忆(LSTM)神经网络的融合模型;基于该模型的自适应速度控制可以在保证从端机械臂运动轨迹不变的前提下,降低机械臂的末端线速度,有助于提高空间遥操作系统的安全性。