Tracking control of a three-wheeled omnidirectional mobile manipulator system with disturbance and friction

This paper proposes a tracking control method for a three-wheeled omnidirectional manipulator system (OMMS) with disturbance and friction. The OMMS is separated into two subsystems, a three-wheeled omnidirectional mobile platform (OMP) and a selective compliant articulated robot for assembly (SCARA) type of manipulator. Therefore, two controllers are designed to control the OMP and the manipulator system. Firstly, based on a kinematic modeling of the manipulator, a kinematic controller (KC), combined with an integral sliding mode controller (ISMC), is designed for the end-effector of the manipulator to track a desired trajectory with the desired angular velocity vector of links. Secondly, a differential sliding mode controller (DSMC) based on a dynamic modeling of the OMP with force external disturbances is proposed to obtain control inputs moving the OMP so that the manipulator tracks the desired posture without singularity. The system stability is proven using Lyapunov stability theory. The simulation and experimental results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed controllers in the presence of disturbance and friction.     

移动机械臂的输出跟踪控制

移动机械臂通常由移动机器人和装在移动机器人上的机械臂组成。它既具有移动机器人的可移动性又具有机械臂的操作灵活性,有极高的实际应用价值。本文针对由二轮驱动的移动平台和二连杆机械臂组成的移动机械臂的输出跟踪问题,利用滑模控制原理为其设计了动态滑模控制器。首先给出了移动机械臂的简化动态模型,然后通过微分同胚和输入变换将其分解为4个低阶子系统,并给出了其输出跟踪的动态滑模控制器的设计方法。仿真实验表明,所设计的动态滑模控制器不仅能很好地跟踪给定轨迹,而且能有效地削弱滑模控制系统的抖振。     

Comparative study of tracking control for a mobile manipulator: Nonholonomic and dynamic cases

This paper gives an in-depth treatment of the modeling and control of a mobile manipulator which consists of a robotic manipulator mounted upon a mobile robot. By neglecting slip of the platform's tires, nonholonomic constraints are introduced into the equations of motion. By considering wheel slip, the assumption of nonholonomic motion is violated. Nonholonomic and dynamic models of a mobile manipulator are developed and compared using the Lagrange-d'Alembert formulation and the Newton-Euler method, respectively. The dynamic model which considers wheel slip incorporates a nonlinear tire friction model. The tracking problem is investigated by using imput-output linearization for the nonholonomic model. For the dynamic model, a robust control method based on a matching condition is developed to eliminate the harmful effects of wheel slip, which acts as a disturbance to the system. Then, the effect of wheel slip on the tracking of commanded motion is identified via simulation. The effectiveness of the proposed control algorithm is demonstrated through computer simulation.     

Tracking control of robot manipulators via output feedback linearization

This paper presents a robot manipulator tracking controller based on output feedback linearization. A sliding mode perturbation observer (SPO) is designed to estimate unmeasurable states and system perturbations that involve system nonlinearities, disturbances and unmodelled dynamics. The use of SPO allows to input/output linearize and decouple the strongly coupled nonlinear robot manipulator system merely by the feedback of joint angles. The controller design does not need an accurate model of the robot manipulator. Simulation studies are undertaken based on a two-link robot manipulator to evaluate the proposed approach. The simulation results show that the proposed controller has more superior tracking control performance, with payload changing in a wide range, in comparison with a sliding mode controller (SMC) designed based on state feedback linearization with full states available. Selected from Journal of Shenzhen University (Science & Engineering), 2005, 22(3)     

欠驱动冗余度机械臂的动态自重构

分析了欠驱动冗余度机械臂不同机构模式下运动学模型及动力学模型之间的关系,给出了欠驱动机械臂工作于全驱动模式下的动力学操作性度量指标。提出了一种欠驱动机械臂工作在欠驱动模式时的基于非线性控制技术的自运动控制方法,利用少维数的控制输入实现了机械臂的多维关节空间的运动控制,使欠驱动冗余度机械臂能完成自运动流形控制。提出一种动态提高欠驱动冗余度机械臂工作于全驱动模式时的操作性能的方法,通过有两个被动关节的平面四关节欠驱动机械臂进行了仿真验证。     

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。     

2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制策略与试验研究

针对同时具有被动关节和柔性杆的欠驱动平面机械臂,提出一种简单易行的分段位置控制策略。以2R欠驱动平面柔性机械臂为研究对象,建立机械臂的假设模态动力学模型,分析系统的动力学耦合特性与可控性。通过被动关节处制动器的开闭切换,研究平面柔性机械臂的分段位置控制策略,采用PID方法分别设计各阶段主动、被动关节的控制算法。最后,基于自行开发的欠驱动平面机械臂的试验平台及实时控制系统,完成了2R欠驱动平面柔性机械臂位置控制的试验研究。仿真和试验结果表明,主动关节和被动关节在各阶段都能很好地跟踪目标值,进而实现机械臂的操作任务,验证了所提控制方法的可行性和有效性,以及欠驱动柔性机械臂动力学模型的正确性。     

Modeling and control strategy of flexible joint servo system in humanoid manipulator driven by tendon-sheath

The control effect of rotational speed in joints directly affects the motion accuracy of a humanoid manipulator driven by tendon-sheath. The dynamic parameters of the joint have time-varying characteristics due to the posture change of the manipulator. The joint driven by tendon-sheath has a specific torsional stiffness, so flexibility should be considered in the humanoid manipulator’s servo system. The time-varying of the parameters in the servo system and the joint flexibility can cause fluctuation of the output speed. To improve the motion accuracy of the humanoid manipulator, a fuzzy-tuned PI control strategy is used to suppress the instability of the output speed. First, the change law of the inertia on the motor side of the flexible joint is calculated by the dynamics equation of the humanoid manipulator. Next, a mathematical model of the joint is established, and the transfer function from the load speed to the electromagnetic torque is obtained. Furthermore, according to the pole-placement strategy, the fuzzy-tuned PI controller parameters are selected appropriately for the manipulator in different postures. Finally, the effectiveness of the proposed method is verified by numerical simulations and control experiments of the manipulator. The results show that the fuzzy-tuned PI control strategy can significantly reduce the tracking errors and improve the control performance of the manipulator.

     

An adaptive sliding mode control technology for weld seam tracking

A novel adaptive sliding mode control algorithm is derived to deal with seam tracking control problem of welding robotic manipulator, during the process of large-scale structure component welding. The proposed algorithm does not require the precise dynamic model, and is more practical. Its robustness is verified by the Lyapunov stability theory. The analytical results show that the proposed algorithm enables better high-precision tracking performance with chattering-free than traditional sliding mode control algorithm under various disturbances.     

具有外部扰动的参数未知漂浮基柔性空间机械臂的对角递归神经网络控制

讨论载体位置和姿态均不受控情况下,存在外部扰动的参数未知漂浮基柔性空间机械臂系统关节运动的动力学控制问题。由假设模态法,利用拉格朗日方法建立漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。以此为基础,针对存在外部扰动和系统参数未知的情况,利用对角递归神经网络逼近柔性空间机械臂系统的逆动力学模型,设计基于对角递归神经网络的控制方案,以控制柔性空间机械臂的关节铰跟踪在关节空间的期望运动轨迹,同时能抑制柔性杆的振动。该方案由于没有专门设计主动控制器抑制柔性振动,因此不需要测量、反馈柔性振动模态,大大简化控制器的结构;无需预知控制对象的精确模型和系统参数,且能克服外部扰动的影响。计算机数值仿真证实所提方案的有效性和可行性。     

重载搬运机器人的动力学仿真及控制系统设计

关节型重载搬运机器人各运动关节动态性能和能量耗散水平直接影响机器人以及运动规划的可达性。以ABB公司生产的IRB460型重载搬运机器人为研究对象,针对其机械本体结构特性,建立重载搬运机器人三维模型。若仅考虑回转轴、大臂和小臂组成的三个自由度,重载搬运机器人系统模型可简化成空间三关节机器人系统模型;依据拉格朗日力学方程建立重载搬运机器人系统动力学模型,利用机械臂逆运动学和五次多项式插值算法完成对多关节机械臂空间轨迹规划。通过动力学仿真分析可知,重载搬运机器人各运动关节的动态性能变化稳定且能量耗散较小,且能够沿着预定轨迹完成PTP模式的运动控制。最后,搭建控制系统仿真实验平台,提出一种重载搬运机器人控制系统模型,实验结果表明,所设计的重载搬运机器人控制系统能够准确、稳定的控制各运动关节运动,验证了各运动关节驱动电动机功率参数选择的合理性,为实际的工业生产应用奠定了理论基础。     

基于自适应滑模控制器的机械臂运动控制方法

由于无法消除机械臂运动过程中存在的高频振动,导致运动控制方法存在跟踪精度低、控制稳定性差和控制性能差等问题。对此,提出一种基于自适应滑膜控制器的机械臂运动控制方法,在机械臂动力学模型的基础上设计非线性观测器,对机械臂控制系统中存在的干扰信号进行观测,设计自适应滑膜控制器对干扰信号进行补偿。将补偿器引入自适应滑膜控制器中,其主要作用是抑制机械臂在运动过程中存在的高频振动,以提高控制稳定性,通过 Lyapunov 函数设计自适应滑膜控制器的总控制律,根据总控制律利用改进后的自适应滑膜控制器完成机械臂的运动控制。实验结果表明,所提方法的跟踪精度高、稳定性好、控制性能高。     

采用滑模观测器的机械臂故障检测与控制优化

针对复合干扰影响下机械臂的故障检测和控制精度问题,提出了一种基于滑模观测器的故障检测和控制优化方法。首先建立了带有电机故障、模型误差和机械摩擦等复合干扰的机械臂系统故障模型,然后设计了滑模观测器来实现在复合干扰下对电机故障的准确检测,最后引入滑模观测器对电机故障程度进行估计,并设计了反步容错控制方法,从而实现了对机械臂系统的精确控制。仿真结果表明,基于滑模观测器的故障检测和控制优化方法能够快速、准确检测和估计电机故障,确保机械臂系统准确跟踪指令信号,角度跟踪误差范围仅为-0.2°～0.2°,能够准确估计出复合干扰的大小,估计误差范围仅为-0.1～0.1 (°)/s²,大大改善了对机械臂的控制效果。     

基于积分分离式 PID 的三连杆机械臂传动控制方法

提出基于积分分离式 PID 的三连杆机械臂传动控制方法。将三连杆机械臂看作一个机械系统,构建动力学模型,拆解分析模型中每个元素。将三连杆机械臂的运动状态划分为退化、摇起以及平衡 3个阶段。根据每个阶段的定义公式,判断机械臂是否满足条件,随时切换运行状态,直至切换至平衡阶段停止。在积分分离式 PID 算法中,给定一个控制系数阈值,并与机械臂当前阶段采样差对比,选择合适 PD 、PID 控制算法。搭建实验测试环境,通过与其他算法展开对比,结果表明,所提方法具有最高的控制效率和机械臂运行精度。     

Barrier Lyapunov function-based model-free constraint position control for mechanical systems

In this article, a motion constraint control scheme is presented for mechanical systems without a modeling process by introducing a barrier Lyapunov function technique and adaptive estimation laws. The transformed error and filtered error surfaces are defined to constrain the motion tracking error in the prescribed boundary layers. Unknown parameters of mechanical systems are estimated using adaptive laws derived from the Lyapunov function. Then, robust control used the conventional sliding mode control, which give rise to excessive chattering, is changed to finite time-based control to alleviate undesirable chattering in the control action and to ensure finite-time error convergence. Finally, the constraint controller from the barrier Lyapunov function is designed and applied to the constraint of the position tracking error of the mechanical system. Two experimental examples for the XY table and articulated manipulator are shown to evaluate the proposed control scheme.

     

基于嵌入式系统的智能机械臂控制系统设计

通过采用ARM9微处理器和Windows CE.NET嵌入式操作系统,设计了一套嵌入式智能机械臂控制系统.为了满足系统的便携性要求,将该系统分为移动控制终端和机械臂控制端两部分,模块之间通过nRF24L01实现高速无线数据传输.该控制系统的应用软件和无线模块驱动程序都是基于Windows CE.NET的嵌入式操作系统开...     

水产养殖用水下移动机械手的耦合动力学分析

对水下移动机械手系统中本体与机械手之间的耦合动力学进行了研究,分别采用指数积方法和凯恩方程对水下移动机械手系统进行了运动分析和动力学建模并进行了求解,模拟了机械手在展开的过程中本体的运动,该研究工作对于进一步了解水下机械手的工作特点和开展机构的控制有重要价值。     

基于DSP的机械臂约束预测控制系统设计

针对机械臂的实时控制问题,基于约束预测控制,提出了一种机械臂实时运动控制方法。介绍了机械臂动力学模型并进行了线性化处理,以降低算法复杂度、保证实时性。设计了轨迹跟踪控制器和约束预测控制器,其中轨迹跟踪控制器采用最优反馈控制律,可确保机械臂按参考轨迹运动;而约束预测控制器则在考虑机械臂物理约束的情况下,为跟踪控制器提供最优参考轨迹。以DSP作为核心控制器,搭建了机械臂控制系统,同时给出了硬件和软件设计方法。以梯形和三次多项式轨迹为例,进行了系统功能测试,测试结果表明了所述控制系统的可行性和有效性。     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

全方位移动机械手运动控制Ⅰ——建模与控制

针对一类由轮式驱动全方位移动平台和机械臂所组成的全方位移动机械手,首先通过对机械结构和运动特性的分析,建立一体化运动学模型,并利用拉格朗日力学法建立动力学模型,分析这两种模型的运动性质.然后根据所建立的模型,分别设计轨迹跟踪控制器,并对控制器的稳定性予以证明.在基于动力学模型的轨迹跟踪控制器中,通过结合全方位移动平台的运动学模型和全方位移动机械手的动力学模型,定量地分析移动平台运动状态对机械臂的耦合作用,并在相应的轨迹跟踪控制器中予以补偿.仿真结果不仅显示所提出两种模型的正确性和相应轨迹跟踪控制器的有效性,而且也说明所述方法可以作为一类移动机械手通用的建模和控制方法.