基于分布参数模型的柔性臂变结构力控制

提出一种基于受约束柔性臂分布参数模型的变结构力控制方法,避免了集中参数模型的缺陷,解决了系统存在模型不确定性和外部干扰影响下的力控制问题.通过Lyapunov函数设计了系统的变结构控制器,其中滑模面设计为系统转动角,转动角速度和柔性臂根部应变的线性组合.利用线性算子半群理论和LaSalle不变集原理,证明了闭环系统的渐近稳定性.仿真结果验证了该方法的有效性.

     

基于遗传算法的柔性机械臂的同时优化设计

针对单连杆柔性机械臂系统,采用同时设计的方法,对包含柔性机械臂结构参数、传感器参数和控制器参数的系统模型进行整体优化设计,改进的遗传算法用于参数的全局寻优.仿真结果显示,优化设计后的单连杆柔性机械臂为变截面梁,可以仅采用简单的控制器(PD控制器)达到减小梁末端振动的效果.     

时滞柔性关节机械臂自适应位置/力控制

针对具有时滞的柔性关节机械臂自适应位置和力控制问题进行了研究.首先,通过坐标变换得出降维的位置/力控制模型.随后,将时间滞后近似表示成一阶滞后,进行时滞补偿.利用自适应算法修正机械臂系统参数,克服模型参数不确定性对系统的影响.同时,采用反步控制技术设计机械臂位置/力控制器,运用Lyapunov稳定性定理证明控制器能使机械臂位置和力跟踪误差收敛.最后的仿真研究验证了控制方案的有效性.     

双连杆柔性臂轨迹跟踪的鲁棒控制

研究了双连杆柔性臂轨迹跟踪的鲁棒控制问题·基于假设模态法和奇异摄动法,导 出了双连杆柔性臂系统的动力学方程,并将系统模型分离为慢变和快变两个子系统.针对柔 性臂的特点,提出了关节角的补偿控制思想,并且给出了补偿控制算法.对两个子系统分别采 用滑模变结构控制和H∞控制,由此得到的组合控制使系统精确跟踪目标轨迹.研制了双连 杆柔性臂实验台,并对文中提出的方法进行了实验.     

柔性机械臂的变结构振动控制研究

当机械臂的质量很轻,尤其是空间应用场合,机器人系统将受到高度柔性限制并且不可避免地产生机械振动.本文为了证实提出的控制不期望残余振动的方法,设计并建立了柔性机器人实验平台.控制方案采用交流伺服电机通过谐波齿轮减速器驱动柔性机械臂,利用粘贴在柔性臂上的压电陶瓷片(PZT)作为传感器来检测柔性臂的振动.对由于环境激励,尤其是在电机转动(机动)时由于电机力矩产生的振动,采用了几种主动振动控制器包括模态PD控制,软变结构控制(VSC)和增益选择变结构方法,进行柔性臂的振动主动控制实验研究.通过实验比较研究,结果表明采用的控制方法可以快速抑制柔性结构的振动,采用的控制方法是有效的.     

滑模控制及其在柔性臂轨迹控制中的应用

变结构控制系统是一类特殊的非线性控制系统,滑模控制就是其中一种。滑模控制对系统参数及扰动的变化反应迟钝,具有很强的鲁棒性,该类控制方法特别适合于机械臂系统的控制。本文中采用奇异摄动方法将双连杆柔性机械臂系统分解为慢变和快变两个子系统,并对慢变子系统采用滑模控制方法设计了控制器。采用MATLAB进行的数值仿真结果表明了所设计控制器的有效性;     

柔性机械臂末端位置的变结构模型参考自适应控制

本文用变结构方法设计柔性机械臂的模型参考自适应控制律．首先用最优状态反馈方法构造了参考模型，然后定义了末端位置误差，构造了滑模曲线，接着用变结构方法推导了自适应控制律，最后针对一具体柔性臂作了仿真研究，验证了理论的正确性并给出了一些有意义的结论．     

遗传算法在柔性臂控制中的应用

提出了一种双连杆柔性机械臂的控制方法.首先运用拉格朗日法建立双连杆柔性机械臂的动力学模型,并利用奇异摄动方法将柔性臂系统分解为慢变和快变子系统后,设计了组合控制器.对慢变子系统利用遗传算法确定两杆的PD控制参数,而时快变子系统采用最优H2综合策略设计控制器后,对柔性臂系统施加组合控制律.仿真结果表明了所设计控制器的有效性.     

基于分布参数机械臂协调操作柔性负载双时标控制

基于分布参数系统理论,建立机械臂协调操作柔性负载系统的动力学模型.利用奇异摄动方法,对动力学模型进行双时标分解,得到一个表征系统大范围刚性运动的集中参数慢变子系统和表征系统弹性振动的分布参数快变子系统.分别设计了自适应模糊滑模慢变控制器和振动反馈快变控制器,并通过分析快变子系统主算子及其生成C_O半群的特性,证明了分布参数闭环子系统的渐近稳定性.最后,通过仿真实验验证了所提出方法的有效性.     

柔性机械臂的双时间尺度组合控制

本文研究柔性机械臂的轨迹跟踪和振动抑制问题. 首先, 利用Lagrange法和假设模态法建立柔性机械臂的动态模型, 进而利用奇异摄动理论得到柔性机械臂的双时间尺度模型. 然后, 基于慢时间尺度模型利用滑模控制理论设计轨迹跟踪控制器; 借助于快时间尺度模型利用自适应动态规划设计参数不精确已知情况下的最优振动抑制控制器; 将二者相结合, 构造双时间尺度组合控制器, 利用奇异摄动理论证明闭环系统稳定. 最后, 在Matlab/Simulink环境下进行实验, 与现有方法相比, 本文设计的控制器对柔性振动具有更好的振动抑制效果, 跟踪精度更高.     

Direct tip regulation of a single-link flexible manipulator by adaptive variable structure control

Direct tip position regulation of flexible manipulators is one of the most challenging control tasks. There are mainly three problems to be addressed in order to achieve good performance. The first two control problems arise owing to the unstable zeros and complex poles in the system nominal part which is dominated by a transfer function. The third problem is the existence of unstructured uncertainties owing to the truncation of high-order resonance modes and system nonlinearities. Because of the above difficulties and in particular the non-minimum-phase nature, tip regulation task of flexible manipulators is usually solved indirectly: direct control of joint angle and suppression of the flexible link vibration. The aim of this study is to investigate the direct approach for tip regulation. Since the tip transfer function contains unstable zeros and the first few dominant flexible modes (complex poles), a reference model of the same order is selected which does not have any finite zero but all negative real poles. In order to force the system to follow the reference model in the presence of the unstructured uncertainties, a variable structure controller is adopted in which the switching surface is derived from the reference model. When in sliding mode, the system performs as the reference model. Hence there will be no vibration and the tip position regulation can be achieved when the system approaches steady state. To improve the system responses further, an adaptation law with dead-zone scheme is combined with the variable structure controller. Simulation results show that link vibrations have been eliminated and the control profile is fairly smooth.     

考虑柔性关节的机械臂自适应运动控制策略研究

具有柔性关节的轻型机械臂因其自重轻、响应迅速、操作灵活等优点,取得了广泛应用;针对具有柔性关节的机械臂系统的关节空间轨迹跟踪控制系统动力学参数不精确的问题,提出一种结合滑模变结构设计的自适应控制器算法;通过自适应控制的思想对系统动力学参数进行在线辨识,并采用Lyapunov方法证明了闭环系统的稳定性;仿真结果表明,该控制策略保证了机械臂系统对期望轨迹的快速跟踪,具有良好的跟踪精度,系统具有稳定性。     

Modeling and robust force control of constrained one-link flexible arms

In this article modeling and robust force control of constrained flexible one-link arms on the basis of a distributed parameter model are discussed. Since the tip of the flexible arm contacts a given constraint surface, a constraint condition should be satisfied. By using the Lagrange multiplier method and the Hamilton's principle, we derive dynamic equations of the joint angle, the vibration of the flexible arm, and the constraint force. The boundary condition of the derived distributed parameter system is related to the contact force and is nonhomogeneous. We introduce a change of variables to derive a homogeneous boundary condition. On the basis of a finite-dimensional modal model of the distributed parameter system, we analyze the stability of the force feedback by using the root locus technique and the compliance control. To compensate the spillover instability an optimal controller with low-pass property and a robust H_∞ controller are constructed. Experiments have been carried out and results confirm that the controllers perform remarkably well. © 1998 John Wiley & Sons, Inc.     

基于关节转角估计器的绳驱动手术微器械位置全闭环控制

手术机器人微器械末端空间狭小,无法安装角度检测传感器,不能进行位置全闭环控制．针对这个问题,提出了一种基于关节转角估计器的闭环控制方法．首先设计了4自由度微器械驱动方案,搭建了手术机器人微器械单关节原理样机实验系统,并基于绳驱动系统的动力学分析设计了关节转角估计器．利用动力学参数辨识的方法给出了关节转角估计器的参数,并通过实验数据分析给出了转角估计器的简化和修正模型．实验结果说明关节转角估计器的输出精度可以达到0.38°．最后以转角估计器的输出值作为反馈信号对微器械关节转角进行了闭环控制实验．结果表明,当系统自由运动时微器械关节转角的最大跟随误差为0.734°;当微器械末端加载1.5N的外力时,关节转角估计器的精度是0.59°,最大跟随误差是1.112°．这些说明本文提出的关节转角闭环控制方法具有比较高的控制精度．     

一类受限柔性机器人的鲁棒性力／位置控制方法*

本文研究受限柔性连杆机器人的力／位置控制问题，首先导出受限柔性机器人的动力学模型，然后借助于微分几何理论将动力学模型转化为仿射非线性形式，再使用非线性反使系统线性化，最后对线性子系统设计变结构补偿器，使控制方法具有较高的精度和强鲁棒性。     

二阶分布参数系统的变结构控制

本文研究了Hilbert空间中的二阶分布参数系统的变结构控制问题,给出了系统存在滑动模的条件;并研究了系统的有限维近似问题,从而为柔性机器人等分布参数系统的变结构控制奠定了理论基础。     

气动人工肌肉拮抗关节的力与刚度独立控制

针对柔性仿生关节难以实现力与刚度独立控制的问题,建立了一种新的气动人工肌肉等效弹簧模型及关节力和刚度模型,设计了一种双输入双输出滑模控制器,来实现对气动人工肌肉拮抗关节力与刚度的独立控制．最后,搭建了气动人工肌肉驱动的拮抗关节实验平台,在关节位置固定和开放两种状况下进行了实验研究,验证所提方法的有效性;在不同负载情况下进行了对比实验,验证所提方法的通用性．所提出的建模和控制方法综合考虑了仿生关节位置、力和刚度相对独立控制,在机器人与人或环境互相作用的场合有很好的应用前景．     

Hybrid force and motion control of flexible joint parallel manipulators using inverse dynamics approach

An inverse dynamics control algorithm is developed for hybrid motion and contact force trajectory tracking control of flexible joint parallel manipulators. First, an open-tree structure is considered by the disconnection of adequate number of unactuated joints. The loop closure constraint equations are then included. Elimination of the joint reaction forces and the other intermediate variables yield a fourth-order relation between the actuator torques and the end-effector position and contact force variables, showing that the control torques do not have an instantaneous effect on the end-effector contact forces and accelerations because of the flexibility. The proposed control law provides simultaneous and asymptotically stable control of the end-effector contact forces and the motion along the constraint surfaces by utilizing the feedback of positions and velocities of the actuated joints and rotors. A two degree of freedom planar parallel manipulator is considered as an example to illustrate the effectiveness of the method.     

Optimization of frame structures with flexible joints

In the traditional approach to analysing and optimizing frame structures, joints are assumed to be rigid. Research has shown, however, that flexibility in the joints of a structure has a great effect on its behaviour. In this paper we present a formal method for optimizing frame structures to account for joint flexibilities and their design parameter sensitivities. We also present a simplified method that accounts for joint flexibility in the initial configuration, but neglects sensitivities to the design parameters. In a case study on an automotive sub-frame structure we compare optimization results using the traditional rigid joint model and the flexible joint methods proposed here. Results suggest that the simplified flexible joint method is more accurate than the traditional rigid joint model, and provides a more conservative design than the full flexible joint method while saving physical and computational effort. Received January 18, 1999