基于轨迹规划的平面三连杆欠驱动机械臂位置控制

针对中间关节为欠驱动的二阶非完整平面三连杆机械臂,提出一种基于轨迹规划的末端点位置控制策略.首先,建立系统的动力学模型,并根据几何关系利用差分进化算法求取所有连杆与目标位置相对应的目标角度;然后,根据驱动关节与欠驱动关节的耦合关系,采用时间缩放法和双向法分别规划两根驱动连杆的两条轨迹,并利用遗传算法优化合适的第1连杆中间位置,将两条轨迹拼接成一条完整可达轨迹;最后,设计滑模变结构控制器以跟踪完整可达轨迹,实现系统从初始位置到目标位置的控制目标.数值仿真结果表明了所提出控制策略的有效性.     

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.     

基于智能优化算法的欠驱动机械臂位姿控制

针对中间关节为欠驱动的平面机械臂系统,提出一种基于轨迹规划和跟踪控制的位姿控制策略,实现了系统位姿控制目标。根据系统控制目标,针对驱动连杆设计了一条连续的运动轨迹。其中,为了实现驱动连杆的控制目标,根据驱动连杆的初始和目标角度设计第一部分的运动轨迹;为了同时实现欠驱动连杆的控制目标,设计第二部分带有可调参数的轨迹。同时,通过差分进化算法对轨迹参数进行优化。并设计滑模变结构控制器使驱动连杆跟踪设计的运动轨迹达到目标状态。最后,仿真结果验证了该策略的有效性。     

双连杆刚柔机械臂无残余振动位置控制

针对双连杆刚柔机械臂,提出一种基于轨迹规划的无残余振动位置控制方法,在将机械臂的末端执行器从任意初始位置移动到目标位置的同时,确保系统没有残余振动产生.首先,建立系统的动力学模型,并通过分析该模型得到系统的状态约束方程.其次,基于状态约束方程,运用双向轨迹规划方法规划一条系统前向轨迹和一条系统反向轨迹.然后,利用时间倒转方法及基于遗传算法的轨迹优化方法对两条轨迹进行拼合,得到一条从系统初始状态到目标状态的期望轨迹.最后,设计轨迹跟踪控制器使系统沿期望轨迹到达目标状态,实现系统的无残余振动位置控制目标.仿真结果验证了本文所提方法的有效性.     

基于模型降阶的平面三连杆欠驱动机械系统位置控制

针对第一关节为被动的平面三连杆欠驱动机械系统,提出一种基于模型降阶的位置控制方法. 首先,建立平面三连杆欠驱动系统数学模型,并分析其积分特性;其次,将部分可积的三连杆系统分段降阶为两个完全可积的两连杆子系统,并基于两子系统获得系统驱动杆与欠驱动杆之间的状态约束关系;然后,利用粒子群优化算法,根据系统末端点目标位置计算驱动杆目标角度;最后,分别设计两连杆子系统控制器,实现系统从任意初始位置到任意目标位置的控制目标. 仿真结果验证所提控制策略的有效性.     

基于三步法的机械臂轨迹跟踪控制

考虑机械臂末端轨迹跟踪控制问题,以跟踪逆运动学求解出的末端期望轨迹对应的各关节期望角度为控制目标.设计了一种基于三步法的控制器,该控制器由类稳态控制、可变参考前馈控制和误差反馈控制3部分组成.证明了该控制器可以通过控制机械臂的各关节力矩实现各关节实际角度对期望角度的状态跟踪,进而使得末端轨迹渐近跟踪期望轨迹,并且跟踪误差是输入到状态稳定的.仿真表明基于三步法控制器的空间机械臂末端可以渐近跟踪期望轨迹,并且该算法可以克服系统的末端负载质量变化等不确定性的影响.     

冗余度机械臂零初始加速度运动规划方案研究

针对冗余度机械臂加速度非零初始值的情况,探讨了一种基于伪逆的加速度层优化控制方案。利用约束函数以使关节从零初始加速度开始运动,并引入关节速度/位置的反馈信息,采用速度/位置误差补偿方法改善运动学方程。通过上述方案对机械臂进行优化控制,可及时减小末端执行器的速度误差和位置误差,从而保证轨迹跟踪的精度。利用MATLAB软件对平面三连杆机械臂跟踪圆形和星形轨迹进行了实验。实验表明末端执行器位置误差在5s内达到10-6 m精度,机械臂能顺利完成跟踪任务。     

基于FuzzyP的多臂机器人机械臂控制系统设计

机械臂是多臂机器人的重要组成部分,针对基于姿态识别控制及位置识别控制系统受到被控量振荡影响,而导致机械臂运动轨迹控制不精准的问题,提出了基于FuzzyP的多臂机器人机械臂控制系统设计;基于FuzzyP控制系统,找到系统控制平衡点,设计系统硬件结构包含3个机械臂,共十八个自由度,简化关节控制器连线,选择直流有刷电机,采用增量型编码器,设计H桥电路,配合74ACT244增强驱动电路,利用NRF24L01无线模块获取与处理位置信息;使用FuzzyP控制器,抑制被控量振荡,控制连杆运动,完成多臂机器人机械臂控制方案设计;由实验结果可知,该系统轨迹与预期轨迹基本一致,较好解决多臂机器人机械臂对接精确定位要求。     

基于关节角补偿的多轴串联机械臂轨迹自动跟踪控制

由于现有方法在机械臂轨迹跟踪控制实际应用中,容易受到刚性连杆和柔性连杆之间耦合作用影响,导致控制后轨迹与实际目标轨迹一致性系数较低,为此提出基于关节角补偿的多轴串联机械臂轨迹自动跟踪控制.首先利用旋转矩阵对多轴串联机械臂空间位姿描述及坐标变换,然后利用关节角补偿对多轴串联机械臂末端关节角进行补偿计算,根据计算结果规划多...     

柔性机械臂基于观测的逆动力学轨迹跟踪控制

本文探讨了稳定逆动力学与基于观测的状态误差反馈镇定器集成实现柔性机械臂 末端轨迹跟踪的控制策略．基于观测器可以充分利用由稳定逆动力学生成的理想状态轨迹信 息,实现全状态误差的反馈镇定以消除末端轨迹跟踪的扰动误差．     

Acrobot动态伺服控制及其对称虚约束方法研究

研究了Acrobot这一垂直平面欠驱动机械臂的动态伺服控制问题. 该问题期望驱动Acrobot到达构形空间中任意目标位置. 由于Acrobot不能稳定在除平衡点外的位置, 因此考虑将系统镇定到经过目标点的周期轨道上. 利用虚约束来描述这样的轨道, 进而给出了在所选虚约束作用下系统的零动态和积分曲线. 接着设计了级联形式的控制器, 内环控制器基于改进的反馈线性化方法, 引入了一个使内环呈现二阶系统特性的虚拟输入, 在该虚拟输入的基础上, 设计了基于Lyapunov稳定性理论的外环控制器. 最后通过数字仿真证明所提出的方法合理有效, 并且获得比基于能量的动态伺服方法更优的结果.     

PPR型平面欠驱动机械臂的点位控制

研究了PPR型平面欠驱动机械臂(第1个关节和第2个关节是移动关节且是受控的,第3个关节为被动的转动关节)在水平面运动的点位控制问题.首先,通过输入和坐标变换方法,系统的动力学方程被变换成二阶链式形式.其次,提出用反步法推导出保证系统指数渐近稳定的控制器.仿真结果表明,机械臂能够稳定地从任意初始位置运动到任意给定的位置,从而证明了控制器设计的有效性.     

Two relay controller for real time trajectory generation and its application to inverted orbital stabilization of inertia wheel pendulum via quasi‐continuous HOSM

A quasi‐continuous high‐order sliding mode (QC‐HOSM) control is developed to solve the tracking control problem for an inertia wheel pendulum. A first step towards the solution of the tracking control problem in underactuated systems is to find the set of reference trajectories. A reference model based on the two relay controller idea is then developed for generating a set of desired periodic trajectories for the pendulum centered at its upright position. The two relay controller produces oscillations at the scalar output of the reference underactuated system where the desired amplitude and frequency are reached by choosing its gains. The HOSM will be capable of making the pendulum move, tracking the prescribed reference signals determined by the trajectory generator. Performance issues of the controller constructed are illustrated in an experimental study. Copyright © 2011 John Wiley and Sons Asia Pte Ltd and Chinese Automatic Control Society     

Virtual Model Reduction-based Control Strategy of Planar Three-link Underactuated Manipulator with Middle Passive Joint

This paper presents a position control strategy for a planar active-passive-active (APA) underactuated manipulator with second-order nonholonomic characteristics. According to the structural characteristics of the planar APA system, we divide the system into two parts: a planar virtual Pendubot (PVP) and a planar virtual Acrobot (PVA). For the PVP, we mainly fulfill the target angle of the first link, which is calculated through the geometry method, and make the system stable. In this stage, via keeping the states of the third link being zero, the system is reduced to the PVP. Meanwhile, we design an open-loop control law based on the nilpotent approximation (NA) model of the PVP to make the second link stable and the first link stabilize at its target angle. Then, the planar APA system is reduced to a PVA with all links’ angular velocities being zero. For the PVA, we mainly realize the other two links’ target angles obtained via the particle swarm optimization (PSO) algorithm. Thus, the control objective of the planar APA system is achieved. Finally, above control strategy is verified by simulation results.

     

Effective position–posture control strategy based on switching control for planar three-link underactuated mechanical system

A planar three-link passive–active–active (PAA) underactuated mechanical system is a kind of nonlinear system with a passive first joint. The position–posture control objective for the planar PAA system is to move the end effector from an initial position to a target position with a specified posture. This paper presents a switch control strategy to solve the position–posture control problem. First, a Lyapunov function is constructed based on the system control objective. Then, a set of main controllers based on this Lyapunov function are designed. However, the main controllers may make the system stabilise at one of equilibrium points, which is not the system target position. To avoid the above phenomenon, when the system is about to stabilise at one non-target position, the main controllers are switched to a set of sub-controllers, which are designed according to another Lyapunov function constructed based on the control objective of the active links. When the sub-controllers are running, their design parameters are adjusted to try to keep the derivative of the first Lyapunov function being a non-positive function. Therefore, the switch control between the main controllers and the sub-controllers realises the position–posture control objective of the system. Finally, the simulation results demonstrate the effectiveness of the switch control strategy.     

水平运动的三自由度欠驱动机器人的位置控制

以水平运动的三自由度欠驱动机器人为研究对象,对其位置控制问题进行研究．基于分层控制思想提 出一种模糊控制系统,将欠驱动机器人末端位置控制问题进行分解,末端位置由主动关节的旋转与被动关节的伸展 或收缩组成．第1 关节按照规划的曲线运动,第2 关节和第3 关节通过动力学耦合作用运动到期望位置．主动关节 2 的控制力矩或控制电压通过对模糊逻辑控制器的输出量进行加权求和得到．采用该控制原理,通过数值仿真和实 验实现了3R 欠驱动机器人在操作空间中末端点到点的位置控制．     

Chaos-PSO-based Motion Planning and Accurate Tracking for Position-posture Control of a Planar Underactuated Manipulator with Disturbance

Unlike a fully-actuated manipulator, the position-posture control of a planar underactuated manipulator (PUM) is more difficult, but the research on it is significant due to the wide practical applications. The existing control methods consider no external disturbance and are involved in the staged control idea, bringing the problems of nonsmooth control torque and time-consuming. A novel one-stage control approach is proposed in this paper for the position-posture control of a three-link PUM with the first free joint under the external disturbance. By analyzing the coupling relationship between its active joints and free joint, the position-posture control is transformed into the trajectory tracking control. Unlike the general trajectory planning, the trajectories of the active joints are planned to include several parameters. Meanwhile, the parameters are solved using a chaos particle swarm optimization algorithm to guarantee that all joint angles can reach to their desired angles. Then, to obtain the high trajectory tracking accuracy at every moment under the external disturbance, the nonlinear disturbance observer is constructed and a nonlinear fast terminal sliding mode tracking controller is designed. Finally, the feasibility and superiority of this strategy are verified via two simulations.