工业机器人动力学参数辨识与自适应控制方法研究

研究六自由度工业机器人动力学模型最小惯性参数辨识和模型参数自适应PD控制方法。首先分析六自由度机器人动力学模型及其最小惯性参数;研究基于位置、速度、加速度约束条件的傅里叶级数型激励轨迹优化方法;依据激励轨迹跟踪实验获取的关节角位置、速度、加速度和力矩数据,研究基于最小二乘的最小惯性参数估计方法。在此基础上,研究六自由度机器人模型自适应PD控制方法。最后,构建了基于Codesys平台的六自由度机器人控制系统,利用SYMORO+推导回归矩阵元素,结合Hadamard不等式,利用MatlabFunction函数生成目标函数并将其代入Matlab fmincon函数计算激励轨迹参数,通过激励轨迹跟踪实验辨识出最小惯性参数;通过机器人跟踪激励轨迹和验证轨迹实验,比较实测力矩与基于辨识模型估计力矩的均方根误差验证参数辨识方法有效性;通过期望轨迹跟踪实验验证了自适应PD控制算法可行性。     

基于模型不确定补偿的轮式移动机器人反演复合控制

针对轮式移动机器人存在模型不确定性、非线性以及未建模的动态特性等因素,严重影响系统轨迹跟踪的稳定性和精确性,提出一种基于系统模型不确定性补偿的反演复合控制策略。基于非完整轮式移动机器人的运动学模型,采用反演控制思想以及李雅普诺夫稳定性判据设计轨迹跟踪的虚拟速度控制量,作为系统的持续激励输入。考虑轮式移动机器人具有模型不确定性和外部有界力矩干扰,根据轮式移动机器人的动力学模型推导得到系统不确定项,并采用具有高度非线性拟合特性的神经网络对其估计,得到模型的力矩控制量,且由李雅普诺夫稳定性分析得到不确定项的自适应律,实现自调整和实时轨迹跟踪。对比仿真表明,该复合控制策略能自适应的跟踪期望轨迹,与单一的反演控制、模型不确定性补偿控制策略、传统PID控制相比,均具有更好的鲁棒性和高的跟踪精度。     

基于运动发散分量的四足机器人步态规划

为了使四足机器人在出现较大的轨迹跟踪误差时仍然可以稳定运动,提出基于运动发散分量（DCM）的在线步态规划方法. 将四足机器人抽象成三维线性倒立摆模型（LIPM）,根据离线规划的落脚点,应用DCM方法论递推出保持DCM有界的参考轨迹;在满足步幅约束、零力矩点（ZMP）约束的条件下,步态规划运用宽松初始状态模型预测控制在线优化出可快速收敛到参考轨迹上的落脚点以及期望状态轨迹;全身运动控制器通过构建二次规划优化出满足运动约束、动力学约束、摩擦力约束等条件下跟踪期望状态轨迹的力矩. 通过仿真验证以上算法,仿真结果表明：与经典模型预测控制相比,宽松初始状态模型预测控制可以承受较大的轨迹跟踪误差,四足机器人可以在出现较大的轨迹跟踪误差时以troting步态稳定运动并尽快收敛到离线规划的轨迹上.     

空间机器人的可变增益滑模控制方法

针对空间机器人抓捕目标的轨迹跟踪过程,提出了一种基于可变增益的滑模控制算法,并利用MATLAB/Simscape对空间机器人的理论动力学模型和控制算法进行了仿真校验。首先,基于拉格朗日法构建了空间机器人的动力学模型,并给出了系统参数不确定时的动力学方程。设计了一种滑模控制器,在控制器中引入了可变增益,该增益可根据系统的不确定性和系统的运动状态进行调整,从而使控制器具有很强的鲁棒性。基于Simscape Multibody软件模块,对空间机器人的理论动力学模型进行了验证。在此基础上,针对多关节运动和系统模型不确定两种情形,利用可变增益滑模控制算法进行了空间机器人的轨迹跟踪仿真实验。实验结果表明,与传统的计算力矩法相比,本文提出的控制算法呈现出更高的运动控制精度和误差收敛速度。     

六足仿生机器人腿部动力学分析与控制

为了实现六足仿生机器人的多种运动模式,提高不同路况环境的适应能力,提出了一种带有变形关节的新型腿部结构.采用拉格朗日方法建立了用于控制机器人腿部的动力学模型,设计了计算力矩+RBF神经网络复合控制器,其中计算力矩是已建模的部分,神经网络补偿动力学模型中未建模部分、结构参数的测量误差以及外部扰动.采用MATLAB对腿部的轨迹跟踪控制进行仿真,结果表明了该控制器跟踪精度更高,具有优良控制性能.     

基于双超越离合器和SimMechanics的合作机器人建模及仿真

为了分析合作机器人(Cobot)的动力学性能,根据Cobot的特点和单向超越离合器的特性,建立了基于双超越离合器的不完全约束关节机构的模型和Cobot关节机构的驱动控制模型,并仿真验证了该关节机构的被动约束特性.设计了基于SimMechanics的Cobot轨迹控制的仿真程序,并对Cobot机构的动力学特性进行了仿真研究.仿真结果表明,该Cobot能够跟踪期望轨迹,具有被动的约束特性,满足Cobot与人合作的要求.这种Cobot模型可以应用在外科手术、物料搬运和零件的装配等需要人机合作的场合.     

力矩受限的非完整WMR镇定与轨迹跟踪统一预测控制

针对动力学模型描述的非完整轮式移动机器人,研究了存在控制输入约束情况下的镇定及轨迹跟踪统一预测控制问题.基于控制Lyapunov函数,设计了满足稳定性条件及输入约束的终端控制器,给出了相应的终端域,分别以跟踪圆轨迹和并行泊车为例给出了轨迹跟踪与镇定控制的仿真结果.     

3-RPS并联机器人动力学分析及模糊控制仿真

为研究并联机器人驱动位移轨迹跟踪控制精度,更好地对机构进行有效的实时控制,以3-RPS并联机器人的动平台以及各支链为研究对象进行了动力学分析.应用牛顿-欧拉方法,分析了该并联机器人三支链对动平台的驱动力、约束力矩以及动平台对三支链的作用力,构建了动力学方程.基于Matlab仿真软件,采用液压伺服驱动方式及模糊控制算法,构建模糊控制仿真模型进行了仿真分析.仿真结果证明了牛顿-欧拉方法对3-RPS并联机器人动力学分析的正确性及模糊控制方法的有效性,为进一步利用Matlab对3-RPS并联机器人轨迹跟踪控制研究提供了一定的理论基础.     

下肢外骨骼机器人动力学参数辨识与步态跟踪

为了提高下肢外骨骼机器人步态轨迹跟踪的精度,对于下肢外骨骼二连杆动力学模型,提出一种静态与动态结合的参数辨识的实验方法,并结合穿戴者人体参数,得到人机协同系统精确的动力学模型。采用基于模型上界的滑模控制,并引入低通滤波器,进行MATLAB步态跟踪仿真。经仿真表明,髋关节和膝关节转矩的实验测量值与理论计算值的波形基本一致,动力学参数辨识结果正确;基于滑模控制的人机协同系统能够实现髋关节和膝关节对参考步态轨迹的精准跟踪,低通滤波器能够有效减小滑模控制引起的高频抖振。这为下肢外骨骼动力学参数辨识提供了一种解决方案,为基于模型的控制方法提供了一种参考模型,为下肢外骨骼人机协同系统的步态轨迹精准跟踪提供了一种参考方法。     

基于虚拟弹簧的欠驱动手指的动力学建模和控制

采用虚拟弹簧对2关节欠驱动手指进行了动力学建模。并使用该方法建立实际的3关节欠驱动手指的动力学模型,通过动态控制实验验证了动力学模型的正确性。该方法不仅避免了求解微分几何方程,并且直接派生出可解耦的动力学模型。可直接进行逆动力学分析、仿真和实时控制。同时,建立了基于动力学模型的速度观测器,用于轨迹跟踪,弥补了欠驱动手没有速度传感器的缺点,补偿了欠驱动环节造成的不确定因素。与PID或计算力矩法相比较,其轨迹跟踪误差更小,动态控制效果更好。     

六圆柱-圆锥轮式月球车多轮协调运动控制研究

月球车的运动控制是月球车完成探测任务的前提.为实现月球车前进、后退和转向等基本运动功能,对六圆柱-圆锥轮式月球车的多轮协调运动控制进行了研究.根据六圆柱-圆锥轮式月球车的机构原理和结构特点,给出了月球车车轮的运动学约束条件,建立了月球车的运动学约束模型,针对月球车的基本运动要求,推导了月球车六轮协调运动的控制模型,并基于实时Linux和PC104总线计算机的车载计算机运动控制系统,对月球车的运动控制进行了实验研究.研究结果证实了六轮协调运动控制模型的正确性,为月球探测车的运动控制系统设计及月球车的自主避障功能等奠定了理论基础.     

两轮并列式月球车的性能及其稳定性分析

随着国内外新一轮探月高潮的掀起,新型的月球车越来越受到人们的关注.文章提出了一种两轮并列式月球车结构以适应月球探测的特点和要求,并对两轮车的驱动原理和性能进行分析,为月球车的应用提供理论基础和参考依据.两轮车行走中箱体平台的稳定性是其在视觉导航及多车对接应用中的关键环节,针对箱体平台的稳定性对两轮车系统进行建模仿真并提出了两轮车系统的模拟控制方案.仿真结果表明采用状态反馈控制可以有效的实现两轮车系统的稳定性控制.两轮并列式月球车的特点和稳定性分析为新型探月车的研究提供新思路.     

六圆柱-圆锥轮式月球车的设计

针对月球表面的非结构化环境,设计了一种新型六圆柱-圆锥轮式月球车.整车由三节串联而成,每节具有一对独立驱动的圆柱-圆锥轮,由两个三自由度的悬架结构连接,三节之间能够被动实现俯仰和扭转相对运动;悬架关节中设计有离合器或制动器,能够根据需要锁住关节或在电机驱动下实现主动俯仰或前摆运动,从而能够使月球车根据路况以轮式或轮步方式移动.为了降低刚性车轮产生的振动,在车轮和支承轴之间设计了由金属橡胶构成的减振器.对月球车的结构参数优化和移动性能的分析,结果表明,该车具有很强的地形适应能力和越障能力.     

基于虚拟样机的月球探测机器人运动学建模

为增强月球探测机器人在三维崎岖环境下运动的动态调整能力,采用虚拟样机技术从车轮雅可比矩阵导出了月球车6个车轮的运动学方程。可用最小二乘法从6个车轮的单独雅可比矩阵导出月球车车体的位置和方向,用加速度计测量车体的俯仰角速度和滚动角速度,从而得到月球车的运动速度。仿真结果表明：用该运动学建模方法开发的HIT-1型月球车在崎岖地形中移动时具有动态调整其运动构型的能力,可增强车体的安全性和稳定性;该方法可作为一种通用的三维轮式移动机器人的运动学建模方法。     

八轮扭杆摇杆摇臂月球车运动控制研究

详细分析了八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车轮子的运动情况和受力分析,提出了5种轮子操作模式,指出月球车在自由操作模式下的运动是比较理想的,机构间的能量损耗是最小的。讨论了对于在复杂环境中轮式探测车的电机驱动模式的选择对探测车运动稳定性的影响。用轮子操作模式的观点分析了3种简单电机驱动模式下月球车在平坦和崎岖地形中的不同运动情况。根据八轮扭杆摇杆摇臂月球探测车的机构特点,结合轮子操作模式,利用月球车机构特征和速度匹配原理,提出一种具有良好地形适应能力运动控制算法,把它融合到了整个运动控制系统当中,提高了月球车在崎岖地形中的运动性能。通过野外环境中的实验证明了运动控制模型的合理性和构建系统的可靠性。     

轮式月面巡视探测器月面牵引性能的预测

通过室内土槽试验和颗粒流数值仿真相结合的方法对轮式月面巡视探测器的轮土交互作用、车轮的牵引特性和轮下土壤变形和破坏进行了深入探讨。以吉林省火山喷发物为原料进行了模拟月壤的配制。设计并制造了深空探测车车轮牵引特性试验台并进行了不同轮齿构型车轮的牵引特性试验,获得了基础性的试验数据。考虑月壤结构松散、颗粒细小、流动性强的离散特征,采用颗粒流法分析了地面重力场下探测车轮下模拟月壤的扰动破坏、土体内接触力的分布、颗粒速度矢量的变化,获得的车轮牵引特性参数与土槽试验数据进行了对比,进一步对车轮在月面环境下的牵引性能做出了预测。     

月球车不等径车轮在土壤上滚动的力学分析与实验

月球车车轮的结构特征及其与土壤相互作用的力学特性对月球车的运动性能有着重要的影响.文中研制了一种具有抗侧滑特性的月球车不等径刚性车轮.基于车辆地面力学中车轮与土壤间的承压、剪切特性理论,提出了该不等径刚性车轮与松软土壤上滚动作用的修正模型,并采用迭代算法对车轮外形参数与力学特性参量的相互关系进行了计算和对比分析.利用Reece强制滑转原理设计了一套实验装置,进行了不等径刚性车轮在松软土壤上滚动的力学特性参量测试,验证了所建立模型的正确性.     

月球车连杆式差速平衡机构的运动学分析

为了提高月球车运动时车体平稳性和车轮承力平衡性,设计了连杆式差速平衡机构,利用ADAMS软件建立了该机构的三维仿真模型,对其进行了运动学建模、计算和运动仿真,分别获得了机构主要构件运动计算数据曲线和运动仿真曲线,对比验证了建立的运动学模型的正确性和设计的差速平衡机构对车体运动平稳性的作用,样机实验结果与理论计算及仿真结果较好吻合,进一步验证了分析方法和结论的正确性.     

月球车轮地相互作用力学模型解耦及其应用

针对高度耦合的月球车轮地相互作用力学积分模型很难在实际中应用的问题,采用应力分布线性化、忽略比重较小的耦合项等方法,推导了解耦的封闭解析模型.利用轮地相互作用测试平台,对具有不同尺寸和不同轮刺的6种车轮进行试验.基于解耦模型研究了土壤参数的辨识方法,对轮地作用过程中的8个未知参数进行了辨识,并利用试验数据验证了该方法的...     

月球车弹性筛网轮的研制

为研究适应松软地形,且质量小、功耗低、驱动力大的月球车车轮,在单轮驱动功率和扭矩计算的基础上,选取了电机和减速器,进行初步的弹性筛网轮的结构设计,对初步设计中主要零件进行了受力分析及详细的结构设计,最终加工出两种不同尺寸的弹性筛网轮,对车轮性能进行了测试.通过弹性筛网轮的研制,综合考虑体积、传递效率及功率等技术因素,实现了车轮的驱动、传动一体化设计,为设计真正的月球车车轮奠定了技术基础;解决了钛合金轮圈的加工工艺问题,为今后研制不同形状的钛合金轮圈奠定了技术基础.