Periodic motions of the Pendubot via virtual holonomic constraints: Theory and experiments

This paper presents a new control strategy for an underactuated two-link robot, called the Pendubot. The goal is to create stable oscillations of the outer link of the Pendubot, which is not directly actuated. We exploit a recently proposed feedback control design strategy, based on motion planning via virtual holonomic constraints. This strategy is shown to be useful for design of regulators for achieving: stable oscillatory motions, a closed-loop-design-based swing-up, and propeller motions. The theoretical results are verified via successful experimental implementation.     

欠驱动系统Pendubot的参数认证及其控制设计

本文针对欠驱动Pendubot机器人系统提出一种简单可靠的摇起及平衡控制策略,并通过在线认证的方法实现对其参数的测量.分别利用部分反馈线性化及全状态反馈控制技术来设计摇起控制器及平衡控制器,并通过转换器实现两个控制器的转换.最后利用仿真及实际控制验证了算法的有效性.     

Pendubot的一种分层滑模控制方法

针对Pendubot这类二阶欠驱动系统提出了一种分层滑模控制方法.该方法将系统状态分成两个子系统,分别构造滑动平面,采用Lyapunov方法求取总控制量,该控制量可以实现Pendubot的摆起控制,当系统接近平衡位置附近时,双层滑模控制器退化成单层控制器,这样又保证了Pendubot能够稳定在最终的平衡位置上.从理论上证明了各层滑动平面的渐近稳定性,并且通过仿真实验验证了该方法的有效性以及该控制器对各类扰动的自适应性.     

两杆欠驱动机器人的多层嵌套滑模控制方法

目前对于两杆欠驱动机器人的滑模控制方法大多不能保证子滑模趋近各自滑模面的可达性和鲁棒性,表现为系统的稳定过度依赖参数的选取,控制运行拥塞,参数调整难度大,实现困难。为此提出一种多层嵌套滑模控制方法,以改善子滑模趋向各自滑模面的可达性、鲁棒性和快速性。进行了系统滑模面的可达性和稳定性分析,并就Pendubot和Acrobot两类欠驱动机器人进行了位置镇定控制数值仿真。仿真结果表明该方法能够使系统的控制参数调整保持一定的连续性,降低控制拥塞和参数调整难度,并有效地提高子滑模趋向各自滑模面的快速性和鲁棒性。     

Partial stabilization of underactuated Euler–Lagrange systems via a class of feedback transformations

A new class of non-trivial feedback transformations, which can be applied to any underactuated Lagrangian system, is proposed. As shown, these transformations play an important role in solving a stabilization problem with respect to a part of the actuated variables, while the given additional constraints are imposed on the rest of the variables. Theoretical results are illustrated by solving the problem of swinging up the Pendubot.     

欠驱动Pendubot系统的滑模变结构控制

为了克服欠驱动分步式控制器切换力矩大,调节时间长,吸引域小等关键难题,针对欠驱动Pendubot系统,利用滑模变结构控制方法取代常规的摇起、平衡分步式控制器,设计了摇起、平衡整合式控制器,实现了摇起、平衡控制的统一,极大的简化了控制器的模型,较好的解决了上述问题。最后通过仿真实验验证了控制器的可行性、有效性。     

欠驱动机械臂滑模控制与实验研究*

针对非线性、强耦合的欠驱动两杆机械臂Pendubot,提出了一种在倒立不稳定平衡点邻域内局部线性化的基于Hurwitz稳定判据的滑模控制方法。首先定义一个分别由主动臂和欠驱动臂的角位置、角速度跟踪误差的线性组合滑模面。通过Lyapunov稳定性分析保证了系统的所有状态能够到达滑模面并保持在滑模面上,根据滑模面条件,降低原系统的阶数,再令降阶系统满足Hurwitz稳定判据,从而原系统渐进稳定,其所有状态变量最终收敛于平衡点,同时得到滑模面参数。仿真和实验结果表明,所设计的控制方法易于实现,能够抵抗一定的外界干扰,对模型的参数摄动不敏感、鲁棒性强。     

基于受控拉格朗日函数的Pendubot镇定控制器设计

基于受控拉格朗日函数,对竖直面内两自由度Pendubot设计镇定控制器.由于该系统的驱动变量是原始动能的循环变量,当受控动能继续保持同一个循环变量时,匹配条件中的动能方程退化为一个常微分方程.由此得到的非线性光滑反馈控制律,可实现一类两自由度Pendubot局部渐近镇定.     

基于智能优化算法的Pendubot轨迹规划与控制方法设计

以垂直Pendubot为研究对象,提出一种基于智能优化算法的轨迹规划与控制方法,以解决Pendubot控制过程中难以从摇起区过渡至平衡区的问题.为Pendubot的驱动连杆规划一条从初始角度到中间角度的正向轨迹和一条从中间角度到目标角度的反向轨迹.欠驱动连杆在系统耦合关系作用下进行运动,对应的Pendubot末端点也运动至相应位置.通过遗传算法优化轨迹参数,将正向和反向轨迹拼合为一条由初始角度到目标角度的驱动连杆轨迹的同时,对应的Pendubot末端点轨迹拼合为一条由垂直向下平衡位置到垂直向上平衡位置的完整轨迹,然后设计跟踪控制器跟踪优化后的驱动连杆轨迹至目标角度,由于耦合关系的存在,Pendubot末端点也运动至垂直向上平衡位置.由于Pendubot受重力作用,其末端点很难长时间稳定在垂直向上平衡位置,故设计镇定控制器,实现Pendubot末端点在垂直向上平衡位置的镇定控制.最后通过仿真实验验证所提出方法的有效性,并通过对比说明所提出方法在奇异点规避、控制器设计和控制效果方面的优势.