Trajectory Tracking of a Planer Parallel Manipulator by Using Computed Force Control Method

Despite small workspace, parallel manipulators have some advantages over their serial counterparts in terms of higher speed, acceleration, rigidity, accuracy,manufacturing cost and payload. Accordingly, this type of manipulators can be used in many applications such as in high-speed machine tools, tuning machine for feeding,sensitive cutting, assembly and packaging. This paper presents a special type of planar parallel manipulator with three degrees of freedom. It is constructed as a variable geometry truss generally known planar Stewart platform.The reachable and orientation workspaces are obtained for this manipulator. The inverse kinematic analysis is solved for the trajectory tracking according to the redundancy and joint limit avoidance. Then, the dynamics model of the manipulator is established by using Virtual Work method.The simulations are performed to follow the given planar trajectories by using the dynamic equations of the variable geometry truss manipulator and computed force control method. In computed force control method, the feedback gain matrices for PD control are tuned with fixed matrices by trail end error and variable ones by means of optimization with genetic algorithm.     

热加工用机械手末端轨迹跟踪控制方法研究

分析机械手横纵向移动、旋转和伸缩等不同动作的动力学,利用拉格朗日法构建机械手动力学模型,以此计算热加工作业时机械手末端移动轨迹误差。考虑机械手移动惯性、重力和向心力角位移等多重因素,设计前馈控制器,将移动轨迹点作为神经网络训练集,通过多次迭代完善轨迹点数据库,利用距离加权法修正轨迹点值,通过控制机械手末端惯性问题完成机械手末端轨迹跟踪控制。仿真实验证明,所提方法路径跟踪误差小,控制稳定性好、响应快,可适用范围广。     

一种8自由度空间机械臂运动学及工作空间分析

针对太空环境,提出一种带有移动副的8自由度机械臂,可完成太空环境中的设备维修、物品抓取等工作.通过标准D-H参数法,推导了8自由度机械臂的位姿变换矩阵和正运动学方程;利用Matlab Robotics工具箱,建立机械臂的仿真模型,将仿真模型与机械臂运动学方程进行对比验证;采用蒙特卡罗法对机械臂工作空间进行求解,绘制了机...     

Optimal load of elastic joint mobile manipulators imposing an overturning stability constraint

Full load motion of mobile manipulators while carrying a load with pre-defined motion precision is an important consideration in their application. Therefore, in this paper a general formulation for finding the maximum load-carrying capacity of compliant joint mobile manipulators is presented. The overturning stability of the system and the precision of the motion on the given end effector trajectory are taken into account. The main constraints used for the algorithm presented are the actuator torque capacity, the limited error bound for the end effector and the overturning stability during motion on the given trajectory. This paper presents a strategy for determining the dynamic load-carrying capacity (DLCC), subject to overturning stability, accuracy and actuator constraints, in which a series of ball-type bounds centred at the desired trajectory is used in the end effector oscillation constraint, while a typical d.c. motor speed-torque characteristics curve is used in the actuator constraint. The technique, which considers the full nonlinear mobile manipulator dynamics, actuator constraint, overturning stability constraint, and accuracy constraint, permits the user to specify the trajectory completely. In order to verify the effectiveness of the algorithm presented, a simulation study considering a compliant joint two-link planar manipulator mounted on a differentially driven mobile base is given with details.     

Optimal load of elastic joint mobile manipulators imposing an overturning stability constraint

Full load motion of mobile manipulators while carrying a load with pre-defined motion precision is an important consideration in their application. Therefore, in this paper a general formulation for finding the maximum load-carrying capacity of compliant joint mobile manipulators is presented. The overturning stability of the system and the precision of the motion on the given end effector trajectory are taken into account. The main constraints used for the algorithm presented are the actuator torque capacity, the limited error bound for the end effector and the overturning stability during motion on the given trajectory. This paper presents a strategy for determining the dynamic load-carrying capacity (DLCC), subject to overturning stability, accuracy and actuator constraints, in which a series of ball-type bounds centred at the desired trajectory is used in the end effector oscillation constraint, while a typical d.c. motor speed-torque characteristics curve is used in the actuator constraint. The technique, which considers the full nonlinear mobile manipulator dynamics, actuator constraint, overturning stability constraint, and accuracy constraint, permits the user to specify the trajectory completely. In order to verify the effectiveness of the algorithm presented, a simulation study considering a compliant joint two-link planar manipulator mounted on a differentially driven mobile base is given with details.     

Controller Parameter Tuning of Delta Robot Based on Servo Identification

High-speed pick-and-place parallel robot is a system where the inertia imposed on the motor shafts is real-time changing with the system configurations.High quality of computer control with proper controller parameters is conducive to overcoming this problem and has a significant effect on reducing the robot’s tracking error.By taking Delta robot as an example,a method for parameter tuning of the fixed gain motion controller is presented.Having identifying the parameters of the servo system in the frequency domain by the sinusoidal excitation,the PD+feedforward control strategy is proposed to adapt to the varying inertia loads,allowing the controller parameters to be tuned by minimizing the mean square tracking error along a typical trajectory.A set of optimum parameters is obtained through computer simulations and the effectiveness of the proposed approach is validated by experiments on a real prototype machine.Let the traveling plate undergoes a specific trajectory and the results show that the tracking error can be reduced by at least 50%in comparison with the conventional auto-tuning and Z-N methods.The proposed approach is a whole workspace optimization and can be applied to the parameter tuning of fixed gain motion controllers.     

漂浮基空间机械臂模糊控制仿真

针对空间机械臂动力学建模和轨迹跟踪控制的复杂性,详细介绍了在虚拟样机技术软件ADAMS里,建立漂浮基空间机械臂的动力学模型、轨迹跟踪模糊PD控制策略及其ADAMS和Matlab的联合仿真.在成功建模的基础上,使用模糊PD控制策略,非常好地完成了漂浮基空间机械臂的轨迹跟踪控制任务.     

多连杆柔性机械手末端位置的非线性预测控制

讨论了多连杆柔性机械手末端位置的控制问题。给出了一种非线性预测与刚性运动ＰＤ 反馈相结合的混合控制器,该方法可避免逆动力学反馈控制遇到的零动力学不稳定问题,稳定性分析表明,单纯非线性预测控制和ＰＤ 控制都不易保证闭环系统的稳定性,而两种方法的混合控制可保证闭环系统的稳定性。通过一个双连杆柔性机械手的仿真表明,本文提出的控制方法可实现多连杆柔性机械手末端轨迹的准确跟踪,并能消除柔性机械手的弹性震动。     

机械手鲁棒自适应PD控制

针对工业机械手的轨迹跟踪问题,设计了一种鲁棒自适应PD控制策略,避免了初始输出力矩过大的弊端.考虑将控制器分为非线性补偿控制和PD反馈控制两部分,机械手的不确定动力学部分由回归矩阵构成的自适应控制器进行补偿,实现了对机械手的运动控制.通过计算机仿真结果验证了所提出控制策略的有效性,能够很好地跟踪期望轨迹.     

挖掘装置操作臂末端轨迹控制的试验研究

对排雷机器人挖掘装置的操作臂系统进行了动力学分析，建立了其动力学方程；利用PD反馈控制法对操作臂的末端轨迹控制进行了测试试验。测试结果表明，控制系统使操作臂具有较好的摆角收敛性；位置精度在X方向的误差值小于23mm，误差率小于2．3％，在Y方向的误差值小于16mm，误差率小于2．0％，能实现较精确的轨迹控制。     

气动肌肉并联关节的位姿轨迹跟踪控制

针对多输入多输出的气动肌肉并联关节,建立包含任务空间负载动态方程、容腔压力动态方程和高速开关阀平均流量方程的多阶动态系统数学模型。为保证气动肌肉并联关节系统良好动态特性的同时具有高精度的位姿轨迹跟踪,采用基于非连续投影算法的自适应鲁棒控制策略。该策略通过自适应参数估计来消除因气动肌肉并联关节系统动态数学模型的参数未知而引起的较大参数不确定,通过鲁棒反馈来消除因气动肌肉的伸缩力模型误差、摩擦力时变和关节系统的不可知干扰等引起的严重非线性不确定,且控制器基于反推设计,对多输入多输出的多阶耦合动态系统具有很好的适用性。试验结果表明：所研究的气动肌肉并联关节阶跃响应的静态误差小于0.09°,连续轨迹跟踪的标准误差小于0.15°,且具有较强的自适应性和鲁棒性。     

气动机械手轨迹的Terminal滑模控制方法

应用Terminal滑模控制方法对三轴直角坐标型气动机械手进行连续轨迹控制。首先建立了气动位置伺服系统的数学模型,然后运用Terminal滑模控制对机械手进行轨迹控制。仿真研究结果表明,采用高阶非线性的Terminal滑模控制方法,可以使该机械手对空间直线轨迹的跟踪误差只在未达到收敛点的时间段内较大,在到达收敛点后能完全跟踪目标轨迹。     

具有状态约束的机械臂切换自适应控制

为了解决具有状态约束的机械臂的控制问题,本文针对一类具有全状态约束和状态不完全可测的切换严格反馈非线性系统进行研究,通过引入状态观测器、自适应神经网络和动态表面控制技术,设计了一种基于径向基函数(RBF)神经网络的自适应输出反馈控制方法。利用Lyapunov方法和平均驻留时间理论(ADT)保证了闭环系统所有信号是半全局一致最终有界的(SGUUB),通过数值例子仿真验证了所提方法的有效性。最后将该方法应用于带电机驱动的机械臂并进行仿真实验,仿真结果表明,机械臂轨迹跟踪误差很小,有着良好的控制精度,同时也表明所提出的控制算法能够应用于实际工程模型。     

自适应控制策略在并联机构上的应用

利用并联机构的动力学模型，对自适应算法在并联机构上的控制效果进行了理论及其实际实验的研究。分别采用经典PD算法和基于计算力矩的自适应控制算法对实际的并联机构进行轨迹跟踪控制。实验结果表明。无论在低速或高速的情况下。自适应算法都能够获得具有更好的位置跟踪性能的高速高精度运动，并且运动过程更加平稳。     

冗余自由度仿人机械臂自适应迭代学习控制研究

在深入研究自适应迭代学习控制理论、七自由度乒乓球机械臂动力学模型及轨迹规划的基础上,提出将改进后的自适应迭代学习控制算法运用到带有重复时变干扰的冗余自由度机械臂上。该控制系统旨在实现两大目标：一是使乒乓球机械臂准确快速地跟踪参考轨迹并在末点达到指定的击球速度;二是引入饱和函数减小输入转矩的抖振。Lyapunov理论分析及MATLAB仿真验证了整个控制系统的有效性：当迭代次数增加时,跟踪误差关于有限时间区间内一致收敛到零;加快迭代学习的收敛速度,并消除抖振。     

基于轨迹规划的水下机械手电液控制系统研究

水下机械手是海洋油气开采及应急作业的重要装备,针对其作业特点,建立了机械手三维结构模型,分析了其运动学正逆解,研究了其末端执行器直线运动轨迹规划方法、电液系统模型及控制方法,以此为基础提出了基于轨迹规划的水下机械手电液控制方法。在Matlab／Simulink环境下建立了电液控制系统的仿真模型。     

基于期望动力学的柔性关节控制器设计

协作机器人具有灵活,安全特点,已广泛应用于自动化领域以及中小企业中。为了保证与人交互的安全性,协作机器人通常采用中空电机与中空减速器配合的设计方案,以降低关节转动惯量,从而获得良好的外力感知与控制能力,这种设计导致协作机器人的关节具有了柔性。针对具有柔性关节的轻量级协作机器人,设计了一种基于期望动力学的柔性关节控制器,提高柔性关节机器人的轨迹跟踪精度和抖动抑制能力。在具有谐波减速器和力矩传感器的柔性关节上,基于连杆侧位置反馈与关节力矩反馈实现了从经典的电机侧控制到连杆侧控制的转变,并借助储存函数建立李雅普诺夫函数证明了该控制器的无源性与渐近稳定性。最后,通过Simulink仿真与单关节实验平台的关节轨迹追踪实验验证了柔性关节控制器的性能,结果显示其与全状态反馈控制相比具有关节力矩波动小、抖动抑制快以及轨迹跟踪误差小等优点。     

高速高精度叠层直线运动控制系统

在分析粗精动控制系统的耦合及轨迹分配等问题的基础上,介绍叠层试验台高速高精度直线运动的实现: 采用永磁直线交流电动机驱动粗动台,粗动台行程大但带宽较低;音圈电动机驱动精动台,精动台带宽高但行程较小。用绝对空间闭环方式实现试验台的粗精运动控制,这种方法可以忽略粗动台对精动台的惯性力扰动,精动台直接跟踪给定轨迹,粗动台跟踪精动台的运动轨迹防止精动台发生运动饱和。试验结果表明,精动台显著提高了系统的定位和跟踪精度,该控制方法使叠层试验台的高速高精度运动得以方便实现。     

机械臂滑模控制算法研究

针对机械臂轨迹跟踪控制中传统滑模控制需估计其建模误差及外界干扰等不确定性,当建模不确定性及外界干扰较大较复杂时,将会导致出现抖振现象。该文在以传统滑模控制为主控制器的基础上,通过对传统干扰观测器进行改进,对外界干扰进行反馈补偿,同时利用神经网络对其建模误差进行逼近。通过机械手仿真实验结果表明,所提方法能够有效抑制系统抖振现象,提高响应速度及其轨迹跟踪精度。     

关节速度约束下六轴机械臂空间运动轨迹规划方法

六轴机械臂在空间运动时,极易因速度和加速度突变导致运动轨迹出现随机波动,无法做连续性的运动。基于此,提出一种关节速度约束下机械臂空间运动轨迹规划方法。从运动学正解和逆解2个方面对机械臂建模,利用上关节D-H法分析同一位姿下,基座与末端执行器间的总变换过程。将不同的关节转角组合,辅助后续最优轨迹规划。利用三次和五次多项式插值构建末端执行器的插值函数,以执行器在不同坐标下关节角度为参考变量,求得角度、角速度和角加速度的值,完成运动轨迹规划。仿真实验表明,所提方法的运动轨迹可保证机器人平稳运行,连续性得到提高,从起始点至终止点整个过程中都没有出现明显震动情况。