柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学与改进奇异摄动控制

采用线性伸缩弹簧、线性扭转弹簧来分别描述基座及关节柔性,并在此基础上经由线动量守恒原理、拉格朗日第二类建模方法,建立了姿态受控柔性基、柔性关节空间机械臂的动力学模型。将柔性补偿思想与奇异摄动理论相融合,推导了可分别表示系统刚性运动、基座与关节柔性运动的慢、快变子系统,并提出一种由协调运动慢变控制和基于高阶快变状态观测器的最优控制所组成的改进奇异摄动控制方案。与传统奇异摄动控制方案相比,所提改进控制方案可有效避免对系统高阶快变状态量进行实时地测量和反馈,且可适于具有较大关节柔性的柔性基、柔性关节空间机械臂的控制。仿真实验结果表明了所提方案在轨迹跟踪控制、基座与关节柔性振动抑制上的有效性。     

漂浮基空间机械臂关节运动的一种鲁棒控制方案

讨论了载体的位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机械臂的控制问题。系统动力学分析表明 ,此类系统的动力学是将为系统惯性参数的非线性函数。本文借助于增广变量法 ,即适当地扩展系统的控制输入与输出 ,得到了一组与适当选择的惯性参数呈线性关系的系统控制方程。以此为基础 ,针对机械臂所持载荷参数不确定但误差范围可确定的情况 ,设计了一种关节运动的鲁棒控制方案。此控制方案的优点在于不需要测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度 ,因此更便于实时应用。仿真运算证实了方法的有效性     

柔性臂杆、柔性关节空间机械臂TS模糊轨迹跟踪及双柔振动并行综合控制

针对存在参数不确定和外界干扰的柔性臂杆、柔性关节空间机械臂追踪期望运动的问题,设计了基于TS模糊模型的滑模鲁棒控制方案和双柔性振动并行控制方案。首先,设计了关节柔性补偿器以提高系统的等效关节刚度。其次,利用反馈线性化技术建立了系统追踪期望轨迹的误差动力学方程,通过对系统Lyapunov稳定性证明来选择滑模控制参数;简化并改进TS模糊推理规则,提出了模糊滑模鲁棒控制方法,可解决滑模控制的抖振问题并具有计算量少、控制力矩小的优点。再次,提出了柔性臂杆振动模态的直接反馈控制方案,解决了双柔性并行综合控制的问题。最后,运用逐步仿真的方法,对比仿真结果,证实了所设计轨迹跟踪、双柔性并行综合控制方案的有效性和稳定性。     

空间机械臂资态及关节运动的自适应与鲁棒控制

讨论了载体益不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题。借助于广变量法,恰当地扩展系统的控制输入与输出,克服了漂浮基空间机械臂系统控制方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点,保持了系统控制方程关于惯性参数的线性函数关系。以此为基础,针对末端抓手持有载荷参数未知与不确定两种情况,设计了载体瓷态与机械臂关节协调运动的自适应控制与鲁棒控制两种方案。仿真运算证实了上述控制方案的有效性。     

漂浮基柔性空间机械臂协调运动的非线性鲁棒自适应控制

针对具有外部扰动与参数不确定或未知的情况,讨论漂浮基柔性空间机械臂系统的协调控制与柔性振动抑制问题。基于假设模态法对柔性臂杆进行近似描述,并利用第二类拉格朗日方程与系统动量守恒关系,推导带外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,提出漂浮基柔性空间机械臂系统协调运动的非线性鲁棒控制与非线性鲁棒自适应控制方案。此两种控制方案均可克服外部扰动对系统的影响,控制漂浮基柔性空间机械臂系统载体姿态与机械臂各关节铰完成期望的协调运动,同时有效地抑制了臂杆的柔性振动。除此之外,非线性鲁棒自适应控制方案还可以解决系统惯性参数不确定或未知的问题。系统数值仿真结果证实了所提控制方案的有效性和可行性。     

空间机械臂姿态及关节运动的自适应与鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题。借助于增广变量法,恰当地扩展系统的控制输入与输出,克服了漂浮基空间机械臂系统控制方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点,保持了系统控制方程关于惯性参数的线性函数关系。以此为基础,针对末端抓手持有载荷参数未知与不确定两种情况,设计了载体姿态与机械臂关节协调运动的自适应控制与鲁棒控制两种方案。仿真运算证实了上述控制方案的有效性。     

漂浮基柔性两杆空间机械臂基于状态观测器的鲁棒控制及振动控制

讨论了漂浮基柔性空间机械臂基于状态观测器的鲁棒控制及振动最优控制问题。首先通过合理选择联体坐标系,实现两柔性杆弹性变形之间的解耦;根据拉格朗日方程与动量守恒原理,建立了载体位置无控、姿态受控飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程。接着利用奇异摄动法,将这个柔性两杆空间机械臂系统分解为一个慢变子系统与一个快变子系统。以此为基础,提出了一个包含慢变控制项与快变控制项的复合控制器。利用动态滑模观测器得到慢变子系统的观测速度矢量,基于这个观测速度矢量设计系统的鲁棒慢变控制律来实现载体姿态、关节轨迹的跟踪。利用线性观测器得到快变子系统的观测速度矢量,基于这个观测速度矢量与线性系统的最优控制理论设计系统的快变控制力矩,实现两柔性杆振动的抑制。最后通过系统的数值仿真,证实了方法的有效性。     

液压柔性机械臂等效模型的鲁棒控制

针对液压柔性机械臂的等效动力学模型——柔性负载电液位置伺服系统,提出了滑模控制和自适应反演控制相结合的鲁棒控制器设计方法。基于Lyapunov稳定性理论的系统稳定性分析,证明系统跟踪误差将收敛至零,同时控制了柔性负载的振动。仿真实例表明了设计方法的正确性。     

考虑谐波传动滞后的柔性空间机械臂运动精度

空间机械臂是完成释放、回收卫星以及空间站在轨装配、维修等多种任务的航天器重要维护工具,其末端执行器运动轨迹的精度优劣直接关系到航天工作任务的成败。现有空间机械臂多采用谐波传动作为减速机构,该减速机构会产生运动滞后效应。结合谐波减速器传动滞后模型,基于Rayleigh-Ritz 法给出考虑臂杆柔性与谐波传动运动滞后的动力学方程。提出描述输出误差的精度指标,研究臂杆刚度与滞后相位角对输出精度特性的影响,得到了对空间机械臂工程设计有一定参考意义的结果。     

漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动法的模糊控制和柔性振动主动控制

讨论在载体位置不受控、姿态受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂载体姿态与关节轨迹跟踪的模糊控制及柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日假设模态法并结合系统动量守恒关系,建立柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,使用奇异摄动法和两种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制和振动控制可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,设计PD控制器来对柔性杆件的振动进行主动抑制;同时,设计解耦的模糊逻辑控制器来保证慢变子系统载体姿态及关节轨迹的跟踪。由于在系统动力学方程的推导中消去柔性空间机械臂载体位置项,该模糊控制器还同时具有不需要测量反馈载体位置、移动速度、移动加速度项的优点。最后的数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。     

航天机械手的运动特点和工作空间分析

对处于微重力环境中中的航天机械手的运动特点和工作空间进行了深入的分析，这些研究工作将有助于设计高效的运动规划和运动控制算法。     

全柔性杆空间机械臂动力学与运动L2增益抗扰鲁棒反演控制

讨论了全柔性杆空间机械臂系统动力学、运动L_2增益抗扰鲁棒反演控制。结合拉格朗日方法、动量守恒关系和假设模态法对系统进行动力学分析,获得了系统的动力学方程。基于系统双时标模型,采用奇异摄动法,将系统降阶分解为两个子系统:描述关节刚性运动的慢变子系统,描述柔性杆振动的快变子系统。为慢变子系统设计了对外部有界干扰具有抑制作用的鲁棒反演控制器,使外部有界干扰对系统性能输出的L_2增益小于给定值;基于线性系统最优控制理论实现了快变子系统的控制,以抑制由臂杆柔性引起的振动。数值仿真说明了所设计混合控制器的可行性和有效性。     

二自由度机械手鲁棒跟踪控制器的一种设计方法

叙述了鲁棒控制系统在二自由度机械手上的设计方法及仿真结果。此方法考虑了机械手的非线性和强耦合特性,用一个结构和参数都是固定不变的控制器,来保证即使不确定性对系统的性能品质影响最恶劣的时候也能满足设计要求。以两个自由度的机械手为例,对于应用此理论所得到的控制规律跟踪预先指定的轨迹进行了仿真研究,其仿真结果表明此方法是较为理想的。     

自由浮动空间机械手的无碰撞路径规划

对自由浮动空间机械手无碰撞路径规划问题的特殊性及应采取的策略进行了分析和探讨。据此，本文提出一种位姿空间量化建模方法，并以此建模方法为基础描述了自由浮动空间机械手无碰撞路径规划的一种实现方法。     

双臂空间机器人姿态与关节协调运动的自适应控制、鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制情况下的双臂空间机器人姿态和关节协调运动的自适应与鲁棒控制问题。利用拉格朗日方法导出了双臂空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程;在该方程的基础上,基于增广变量法（恰当地扩展系统的控制输入和输出）,成功地克服了完全能控形式的空间机器人系统动力学方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点;针对双臂空间机器人两末端抓手所持载荷参数未知与不确定两种情况,分别设计了载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应控制和鲁棒控制方案。系统数值仿真表明,两种控制方案均可有效消除空间机器人系统惯性参数未知和不确定的影响,控制双臂空间机器人的载体姿态与机械臂各关节准确地完成期望的运动。     

太空机械臂带故障运行控制研究

为了对出现故障的太空机械臂进行控制,本文先对太空机械臂故障后行为进行动力学分析。在此基础上,得出了太空机械臂带故障运行的控制方案。本文所提出的新控制方案是基于自由转动关节的,也就是说,故障关节完全失去了驱动力矩。为了验证方案的可行性,我们还利用平面两连杆机械臂进行了动力学仿真。     

漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人动力学建模、饱和鲁棒模糊滑模控制及双重柔性振动主动抑制

讨论受到外部干扰影响的参数不确定的漂浮基柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学建模过程、运动控制律设计和关节、臂双重柔性振动的主动抑制问题。利用动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法建立系统动力学方程。基于奇异摄动法,将系统分解为相互独立的三个子系统:慢变子系统、快变子系统1和快变子系统2。针对慢变子系统提出一种饱和鲁棒模糊滑模控制律来补偿不确定参数、柔性关节引起的转角误差以及外部干扰的影响,从而实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪。饱和函数的运用可减弱滑模控制自身的抖振;针对快变子系统1设计一种速度差值反馈控制器来抑制柔性关节引起的系统柔性振动;针对快变子系统2采用线性二次型最优控制器来抑制柔性臂引起的系统柔性振动。仿真试验证明所提出的混合控制律的有效性。