含弹簧阻尼缓冲机构空间机器人捕获卫星操作的 避撞柔顺强化学习控制

针对空间机器人捕获卫星操作过程中,关节因受冲击载荷而易造成冲击破坏的问题,在关节电机与机械臂之间设计了一种弹簧阻尼缓冲机构.缓冲机构不仅能利用弹簧实现捕获操作过程的柔顺化,利用阻尼器实现碰撞能量的吸收及柔性振动的抑制;还能通过合理设计与之配合的避撞柔顺策略使关节所受冲击力矩限定在安全范围内.首先,分别利用含耗散力Lagrange方程法与Newton-Euler法导出了碰撞前的空间机器人与被捕获卫星的分体系统动力学方程;然后,结合Newton第三定律、捕获点的速度约束、各分体的位置约束获得了捕获后的混合体系统动力学方程,且基于动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力;最后,提出了一种结合缓冲机构的避撞柔顺强化学习控制方案,该方案通过实时与动态环境试错交互得到惩罚信号,并利用惩罚信号对控制器进行优化,实现对失稳混合体系统的镇定控制.利用Lyapunov定理证明了系统的稳定性;数值仿真验证了缓冲结构的抗冲击性能及所提策略的有效性.     

配置弹簧阻尼空间机器人基于灰狼优化算法的双臂捕获卫星操作缓冲柔顺控制

空间机器人在捕获卫星操作过程中会发生剧烈碰撞,若不对其脆弱的关节进行保护,则可能造成空间机器人的损坏.为此在空间机器人关节电机与机械臂之间加入一种弹簧阻尼机构,该机构不仅可以在碰撞过程中缓冲、吸收冲击能量,而且可以通过设计与之配合的柔顺策略实现混合体系统的镇定控制.首先,针对捕获前的双臂空间机器人开环系统与目标卫星系统,分别利用Lagrange法与Newton-Euler法建立分体系统动力学模型; 结合动量定理、速度约束、闭链几何约束及牛顿第三定律,导出捕获后的闭链混合体系统动力学模型,并计算冲击效应与碰撞力;然后,针对混合体系统的控制问题,提出一种配合弹簧阻尼机构的积分终端滑模控制方案,通过灰狼优化算法对滑模控制器的参数进行优化,实现混合体系统快速、稳定的镇定控制;最后,利用Lyapunov定理证明系统的稳定性,并通过数值仿真验证缓冲机构的抗冲击性能与柔顺策略的有效性.     

空间机器人捕获航天器操作的避撞柔顺复合自抗扰控制

讨论空间机器人在轨捕获非合作航天器过程避免关节受冲击力矩破坏的避撞柔顺控制问题.在机械臂与关节电机之间配置一种弹簧类柔顺装置—–旋转型串联弹性执行器(RSEA),其作用在于:1)在捕获碰撞阶段,可通过其内置弹簧的变形吸收碰撞产生的能量;2)在镇定运动阶段,结合避撞柔顺策略适时开、关电机,以保证关节所受冲击力矩受限在安全...     

配置弹簧阻尼装置空间机器人双臂捕获卫星操作缓冲柔顺控制

为了避免空间机器人双臂捕获卫星操作过程中关节被冲击载荷破坏,在电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼装置(SDD).该装置不仅能够吸收、消耗冲击能量,还能配合所设计的缓冲柔顺策略将冲击力矩限在安全范围内.首先,针对捕获前的双臂空间机器人开环系统与目标卫星系统,分别利用耗散力Lagrange方程法与Newton–Euler法...     

空间机器人双臂捕获航天器后姿态管理、辅助对接操作一体化ELM神经网络控制

讨论了空间机器人双臂捕获航天器后姿态管理和辅助对接操作的协调控制问题.首先,利用冲量定理、闭环约束几何及运动学条件获得了捕获操作后闭链混合体系统的动力学方程,并分析了混合体系统受到的冲击效应.其次,针对捕获操作后系统姿态受扰运动镇定及辅助对接操作需求,对闭链混合体系统提出了基于极限学习机(ELM)的自适应神经网络控制方案,极限学习机具有学习速度快、仅需调节网络输出权值等优点,可用于逼近系统的未知动力学模型.该方案不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,并且不需要精确的系统动力学模型.通过李亚普诺夫方法设计了ELM网络的权值自适应律及鲁棒项,以保证系统的载体姿态受扰运动镇定与对接操作过程的位置及角度的精确控制,并证明了系统的稳定性.为保证各臂协同操作,运用加权最小范数法分配力矩.最后,通过系统数值仿真模拟了碰撞冲击效应及闭链系统的运动过程.所提控制方案可以有效完成载荷、载体运动控制及辅助对接操作.     

柔性空间机械臂捕获卫星过程的鲁棒镇定与自适应抑振复合控制

分析漂浮基柔性空间机械臂捕获运动卫星过程的碰撞动力学,及受碰撞冲击后的不稳定空间机械臂系统的控制.首先,利用假设模态法近似描述柔性杆的弹性变形,并结合第二类拉格朗日方程建立柔性空间机械臂多体系统动力学模型.而后,基于动量守恒原理,利用动量冲量法分析空间机械臂捕获卫星的碰撞动力学.针对受碰撞冲击后不稳定运动空间机械臂,设计鲁棒镇定与自适应抑振复合控制以维持空间机械臂与被捕获卫星组合体系统稳定.最后,数值仿真揭示了碰撞冲击影响效应,并验证了上述控制算法的有效性.     

面向实时自避碰的双臂机器人力矩控制策略

为解决双臂机器人运动过程中的自碰撞问题，提出了一种面向实时自避碰的双臂机器人力矩控制策略。利用机械臂正向运动学构建双臂机器人动态骨架包围盒，用于简化计算关节间最小距离；根据机械臂关节空间阻抗控制规则，设计了基于关节间距离的力矩控制算法，将运动中各关节间距离转换为避碰力矩，并将避碰力矩和其他任务的期望力矩相加，从而得到控制双臂机器人运动的实际力矩。实验表明：当双臂机器人的设定杆件相互靠近且达到避碰距离时，本研究所提出的自避碰策略能够及时对机器人的运动关节产生一组平滑的避碰力矩，避免了机器人自身发生碰撞，验证了所提算法的有效性及实用性。     

空间机器人双臂协调操作神经网络模型预测控制

本文对神经网络控制理论在空间机器人动力学控制门题中的应用做了研究。建立了载体姿态受控不变、位置自由变化情况下双臂空间机器人系统的动力学方程,以此为基础设计了此类空间机器人系统关节运动的神经网络模型预测控制方案,并做了计算机模拟仿真运算。控制方案不需要系统动力学参数的确定信息,对结构、工况复杂的空间机器人的控制系统设计有非常重要的实际意义。     

漂浮基双臂空间机器人系统的模糊神经网络自学习控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制的情况下自由漂浮双臂空间机器人系统的高斯基模糊神经网络自 学习控制问题．此类空间机器人系统严格遵守动量守恒和角动量守恒,所以其动力学方程表现出强烈的非线性性 质．将神经网络与模糊控制相结合,即利用神经网络进行模糊推理, 可使模糊控制具有自学习能力．在此基础上, 设计了双臂空间机器人系统关节空间的高斯基模糊神经网络自学习控制方案．系统的数值仿真证实了该方法的有 效性．     

洁净机器人反应转矩观测与碰撞保护研究

提出一种基于反应转矩观测器的机器人碰撞保护方法;机器人的反应转矩由基于模型的干扰观测器估值得到,模型的建立包括电机系统转矩模型与机器人系统动力学模型两部分;由于洁净机器人特殊的构型及关节耦合关系,机器人的动力学建模被大大简化,同时对简化后的模型采用最小二乘法对惯性参数和摩擦参数进行辨识,提高了模型的精度;根据永磁同步电机的转矩模型与机器人动力学模型,可以得到基于电机电流的机器人关节转矩;机器人与外界环境接触时,关节转矩的增加量即为反应转矩;通过设计反应转矩观测器并采用力/位混合控制结构,实现基于电流的机器人主动柔顺控制功能,并在洁净机器人进行碰撞保护实验,实际运行结果验证了该方法的有效性。     

Robotics in Education

Collision avoidance is essential for safe robot manipulation. Especially with humans around, robots should work only when safety can be robustly guaranteed. In this paper, we propose using virtual impedance control for reactive, smooth, and consistent collision avoidance that interferes minimally with the original task. The virtual impedance control operates in the risk space, a vector space describing the possibilities of all forthcoming collisions, and is designed to elude all risks in a consistent response in order to create assuring human-robot interaction experiences. The proposed scheme intrinsically handles kinematic singularity and the activation of avoidance using a boundary layer defined on the spectrum of Jacobian. In cooperation with the original controller, the proposed avoidance scheme provides a proof of convergence if the original controller is stable with and without projection. In simulations and experiments, we verified the characteristics of the proposed control scheme and integrated the system with Microsoft Kinect to monitor the workspace for real-time collision detection and avoidance. The results show that the proposed approach is suitable for robot operation with humans nearby.     

空间机器人抓捕目标后基于任务相容性的消旋策略

针对双臂空间机器人抓捕自旋目标后的镇定操作,在考虑机器人系统输入约束的条件下,提出了一种基于任务相容性的消旋规划与控制方法。首先,给出空间机器人抓捕目标后的组合系统的动力学模型,作为规划与控制的基础。然后,根据动力学可操作度和任务相容性设计了目标的快速消旋策略,其期望加速度的方向和大小分别取作速度的反方向和机器人系统输入约束允许的最大值。最后,基于所推导的运动学和动力学模型,通过对目标和机械臂末端分别建立柔顺度等式,提出了一种跟踪期望运动轨迹同时对末端接触力进行调节的柔顺控制方法。通过双臂7自由度空间机器人消除目标自旋运动的仿真结果,验证了所提方法的有效性。     

空间机器人系统的自适应控制

对于载体姿态可控的空间机器人系统，本文给出了一种笛卡空间自适应控制算法，当系统的动力学参数未知时，该算法可以保证对手端期望位置轨迹的渐近跟踪，并且不需要测量关节加速度。应用文中算法对二杆平面空间机器人系统进行仿真研究。证实了算法的有效性。     

Measurement and analysis of structural dynamics properties of robotic joint transmission system

The flexibility of a robotic manipulator is considered an important factor, especially the joint compliance for improving the accuracy and operating speed of a robot application. In this article, two methods are employed to identify the structural dynamic characteristics of each joint transmission system of an ITRI-U type robot. The driving system of each joint is modeled as a mass-spring-damper mechanism that has a second-order dynamic mathematical equation. Then, the response experiments of hammer impact excitation and motor driving actuation are done and the difference between them compared. Those are used to simulate two different operation situations, the robot colliding with the environment and the discontinuing dynamic operation impacts. The system's parameters of each joint axis are obtained by the system identification technique. From the experimental results, the angular error of the motor shaft can be compensated by the control gain of the motor controller. However, the small damping ratio of the robotic mechanism limits the magnitude of servo gain. If the servo gain increases, the robot arm has oscillation phenomenon during dynamic operation. In addition, the error due to joint elasticity cannot be overcome by the current industrial robotic controller. Therefore, a suitable controller should be designed to compensate the dynamic effects of joint compliance with the identified parameters.     

空间机器人最优能耗捕获目标的自适应跟踪控制

提出了一种能够引导末端执行器以期望速度跟踪目标的轨迹规划方法。该方法可以实现避障并满足关节限制要求。基于轨迹规划方法,设计了一种利用自由飘浮空间机器人跟踪与捕获章动自旋卫星的自适应控制策略。此外,该控制策略还考虑了最优能耗、测量误差和优化误差。首先,为了使执行器的跟踪误差和机械臂的能耗最小,将空间机器人的控制策略描述为一个关于关节速度、力矩和避障距离的不等式约束优化问题。然后,推导出一个系数为下三角矩阵的显式状态方程,并对目标函数进行解耦和线性化。设计了一种关节速度和力矩分段优化方法去代替传统的凸二次规划方法求解最优问题,这种方法具有较高的计算效率。最后,利用李雅普诺夫稳定性理论验证了所提控制方法的收敛性。     

Robust adaptive control of an underactuated free-flying space robot under a non-holonomic structure in joint space

This paper introduces a robust adaptive control scheme for an underactuated free-flying space robot under non-holonomic constraints. An underactuated robot manipulator is defined as a robot that has fewer joint actuators than the number of total joints. Because, if one of the joints is out of order, it is so hard to repair the joint, especially in space, the control of such a robot manipulator is important. However, it is difficult to control an underactuated robot manipulator because of the reduced dimension of the input space, i.e. the non-holonomic structure of the underactuated system. The proposed scheme does not need to assume that the exact dynamic parameters must be known. It is analysed in joint space to control the underactuated robot mounted on the space station under parametric uncertainties and external disturbances. The simulation results have shown that the proposed method is very feasible and robust for a two-link planar free-flying space robot with one passive joint.     

Real-time compliance control of an assistive joint using QNX operating system

An assistive robot is a novel service robot, playing an important role in the society. For instance, it can amplify human power not only for the elderly and disabled to recover/rehabilitate their lost/impaired musculoskeletal functions but also for healthy people to perform tasks requiring large forces. Consequently, it is required to consider both accurate position control and human safety, which is the compliance. This paper deals with the robot control compliance problem based on the QNX real-time operating system. Firstly, the mechanical structure of a compliant joint on the assistive robot is designed using Solidworks. Then the parameters of the assistive robot system are identified. The software of robot control includes data acquisition and processing, and control to meet the compliance requirement of the joint control. Finally, a Hogan impedance control experiment is carried out. The experimental results prove the effectiveness of the method proposed.     

矢量场逐次逼近的康复机器人柔顺交互控制

为了实现康复机器人的主动柔顺交互,提出了一种基于矢量场逐次逼近的控制模型;设计了矢量场逐次逼近系统,可输出机器人关节期望位移,该输出能与输入的扭矩、表面肌电及脑电等信号在振幅、频率和相位上保持同步,且通过调节遗忘因子参数值,可改变主动柔顺交互的积极性;利用自行设计的穿着型下肢康复机器人样机进行柔顺辅助实验,以验证所提出控制模型的有效性;通过FFT（Fast Fourier transformation）频谱对机器人关节扭矩的组成成分进行了分析,并采用基于最小二乘法的参数辨识方法实施了重力补偿,以便康复机器人实时控制.实验结果表明,该控制模型对于实现康复机器人与人之间的柔顺交互是有效的.