一种基于串联弹性驱动器的柔顺机械臂设计

为了应对工作环境的动态变化以及人机交互的不确定性,设计了基于被动柔顺结构和主动柔顺控制的柔顺机械臂Soft Arm II.在关节电机和连杆之间加入串联弹性驱动器(SEA)传动模块,SEA传动模块由线弹簧周向均布构成;建立了3DOF柔顺机械臂的运动学/动力学模型以及系统刚度模型,基于系统刚度模型提出工作空间典型位姿下关节刚度加权平均的SEA弹簧刚度确定方法;柔顺机械臂采用位置PID(比例-微分-积分)控制,并通过监控末端接触力和关节力矩适时修改指令轨迹.在柔顺机械臂Soft Arm II上执行了自由空间中的圆形轨迹跟踪、人机直线对推和碰撞模拟实验,结果显示,Soft Arm II在自由空间中具有较好的轨迹跟踪性能,能够实现与操作者的柔顺交互以及对碰撞的安全避让.基于SEA的被动柔顺结构设计以及基于末端力和关节力矩监控的控制策略能够满足人机共存环境对机械臂柔顺性及安全性的要求.     

面向交互应用的串联弹性驱动器力矩控制方法

对于串联弹性驱动器（Series elastic actuator,SEA）而言,已有方法大都将其弹性组件视为线性弹簧.然而为了追求更高的能量密度,SEA的机械结构越来越复杂,使其控制问题更具挑战性;此外,现有方法均未考虑当SEA应用于交互系统中,其负载端动力学模型会产生剧烈变化的情况.针对这些问题,本文设计了一种面向交互应用的自适应滑模控制方法.具体而言,首先在考虑了非线性SEA输出特性及系统中可能存在的扰动的情况下,描述了SEA系统的动力学方程,并对其进行了分析和变换.在此基础上设计了负载运动观测器和自适应滑模控制器,使得本文方法能够在负载端动力学模型完全未知的情况下完成SEA的力矩控制.最后通过引入辅助系统,对输入饱和的情况进行了有效的处理.通过理论分析证明了闭环控制系统的稳定性及信号有界性,随后的仿真与实验结果也表明了这种自适应滑模控制器良好的控制性能和对不确定性因素的鲁棒性.     

基于RISE反馈的串联弹性驱动器最优控制方法

串联弹性驱动器（Series elastic actuator,SEA）是机器人交互系统中的一种理想力源.本文针对非线性SEA的力矩控制问题提出一种基于RISE（Robust integral of the sign of the error）反馈的最优控制方法,能够克服模型参数不确定和有界扰动,实现SEA输出力矩在交互过程中快速平稳地收敛到期望值.具体来说,首先对SEA的模型进行分析和变换;然后假设模型参数和扰动均已知,并在此基础上基于二次型指标设计最优控制律;之后基于RISE反馈重新设计控制律抵消模型参数不确定性和有界扰动,基于Lyapunov理论分析控制器的收敛性和信号的有界性,实验结果表明这种基于RISE反馈的最优控制方法具有良好的控制性能和对有界扰动的鲁棒性.     

面向康复外骨骼的串联弹性关节设计与控制

串联弹性关节为下肢康复外骨骼提供了柔顺化设计方案,但其结构与控制的设计上仍存在诸多挑战。针对康复外骨骼的人机交互需求,本文首先提出了一种集成了新型弹性元件的串联弹性关节,该关节能够在实现结构柔顺性的同时,根据外部载荷实现线性/非线性刚度切换。其次,针对模块化关节建立了刚柔耦合动力学模型并对物理系统进行了分步解耦辨识。在模型预测控制框架下,通过一种迭代线性化方法对非线性非凸优化问题进行控制算法设计。最后,设计了多组轨迹跟踪实验、扰动实验,并对系统控制带宽进行了讨论。实验结果表明,所提出的控制方法在控制约束的条件下实现了不同参考轨迹的跟踪,有效降低了控制能耗并抑制了外部扰动。     

针对串联弹性驱动器抖动抑制的轨迹规划和跟踪控制

针对串联弹性驱动器（Series elastic actuator,SEA）的位置控制问题,本文提出了一种"规划+控制"的策略.首先根据连杆端运动学约束方程,基于数字滤波器对电机位置进行轨迹规划;为了使电机能够准确跟踪期望轨迹,根据电机端的动力学模型设计位置跟踪控制器.理论分析证明了规划的抖动抑制作用和跟踪控制系统的稳定性,随后的实验结果也表明了这种"规划+控制"方法在使连杆到达期望位置的前提下,能够有效地抑制残余抖动.     

串联弹性驱动器设计、建模及在机器人上的应用

相比于传统的刚性驱动器, 串联弹性驱动器(Series elastic actuator, SEA)具有被动柔顺性、阻抗低、抗冲击、力感知等诸多优点, 因而已被广泛应用于各种机器人系统中. 首先根据弹性和阻尼特性将串联弹性驱动器分为弹性型、阻尼型和弹性−阻尼型串联弹性驱动器, 介绍不同类型串联弹性驱动器的优缺点, 并详细概述弹性和阻尼特性的机械实现方式; 然后对各类串联弹性驱动器作为力传感器的建模方法进行介绍; 接着叙述串联弹性驱动器在机器人系统中的主要应用, 如力传感器、安全保护、降低能耗; 最后展望串联弹性驱动器未来的发展方向.     

有限频域约束下串联弹性驱动器的刚度控制

工程实际中的被控对象都具有明显的有限频域特性,但目前的物理人机交互研究大多是针对全频域性能指标来设计阻抗控制器,由此得到的控制器往往失之保守.本文针对绳牵引串联弹性驱动下的人机物理交互问题,采用有限频域性能约束方法来提升系统在设定频段的刚度控制性能.首先,分析绳牵引串联弹性驱动的刚度控制目标并将其转化成有限频域性能约束下的H∞控制问题.其次,根据广义Kalman-Yakubovich-Popov (KYP)引理,将有限频域性能约束转化成矩阵不等式条件,进而分解变换成有关全信息控制器和待求的静态输出反馈控制器的条件.然后,求解出一个满足条件的全信息控制器,并迭代优化得到输出反馈控制器.仿真和实验结果都表明,本文方法在设定频段取得了更加精确的刚度控制效果.     

弹性关节机器人的控制

本文综述了近年来国外关于弹性关节机器人控制的研究成果,重点介绍了基于奇异摄动模型的组合控制和反馈线性化控制以及自适应控制和学习控制等方法.最后讨论了弹性关节机器人运动方程的能控性、状态观测和弹性参数估计等问题.     

弹性机器人的H∞控制

阐述了弹性机器人的控制问题，并针对单杆弹性臂，用混合灵敏度方法设计了Ｈ∞控制器。     

弹性基和弹性关节空间机器人的自适应鲁棒抗扰控制及振动抑制

研究不确定弹性基和弹性关节空间机器人的抗扰运动控制及基座和关节弹性振动同步抑制问题.在对基座和关节弹性进行等效线性弹簧假设的基础上,建立了弹性基和弹性关节空间机器人的动力学方程,并推导了基于等效刚度思想的奇异摄动慢、快变子系统.对传统参数自适应控制律进行σ修正并与鲁棒抗扰控制相结合,对不确定参数和有界外部扰动影响下的慢变子系统提出了基座姿态和臂杆关节刚性运动轨迹跟踪的改进自适应鲁棒抗扰控制方案.使用高增益线性状态观测器对快变高阶量进行实时观测,针对快变子系统设计了基座和关节弹性振动同步抑制的改进最优控制方案.仿真示例分析,表明了所提混合控制方案在空间机器人抗扰运动控制及振动抑制上的有效性.     

Position Control of a Series Elastic Actuator Based on Global Sliding Mode Controller Design

A series elastic actuator (SEA) is a powerful device in the area of human-machine integration, but it still suffers from difficult position control issues. Therefore, in this paper, an efficient approach is proposed to solve this problem. The approach design is divided into two steps: feedback linearization (FL) and global sliding mode (GSM) controller design. The bounded analysis is presented and global asymptotic convergence is analytically proven. Simulation and experiment results illustrate the effectiveness of the proposed scheme.      

基于多元时间序列分析的控制系统执行器故障诊断方法研究

为提高控制系统执行器故障实时诊断的准确率,该文提出一种基于多元时间序列分析的控制系统执行器在线故障诊断方法。首先分析了控制系统执行器故障机理,确定了表征执行器故障的关键信号;其次采用执行器历史数据,建立了时间卷积网络(TCN)在线预测模型,对执行器多通道信号进行在线预测;随后通过长短期记忆网络(LSTM)对多通道残差信号建立了故障分类模型;最后以燃气轮机控制系统执行器半物理试验平台中的电液执行器为例进行了多次重复试验验证。结果表明,基于TCN网络的在线预测模型相比传统循环神经网络(RNN)预测误差较小;基于LSTM网络的故障分类模型准确率较高;通过LSTM网络对多通道残差信号进行故障分类,比对原始故障数据分类故障准确率更高。     

Robust Tracking Control Of The Variable Stiffness Actuator Based On The Lever Mechanism

This paper is concerned with the design of a robust adaptive tracking control scheme for a class of variable stiffness actuators (VSAs) based on the lever mechanisms. For these VSAs based on the lever mechanisms, the AwAS‐II developed at Italian Institute of Technology (IIT) is chosen as the study object, and it is an enhanced version of the original realization AwAS (actuator with adjustable stiffness). Firstly, for the dynamic model of the AwAS‐II system in the presence of parametric uncertainties, unknown bounded friction torques, unknown bounded external disturbance and input saturation constraints, by using the coordinate transformations and the static state feedback linearization, the state space model of the AwAS‐II system with composite disturbances and input saturation constraints is transformed into an uncertain multiple‐input multiple‐output (MIMO) linear system with lumped disturbances and input saturation constraints. Subsequently, a combination of the feedback linearization, disturbance observer, sliding mode control and adaptive input saturation compensation law is adopted for the design of the robust tracking controller that simultaneously regulates the position and stiffness of the AwAS‐II system. Under the proposed controller, the semi‐global uniformly ultimately bounded stability of the closed‐loop system has been proved via Lyapunov stability analysis. Simulation results illustrate the effectiveness and the robustness of the proposed robust adaptive tracking control scheme.     

Continuous Robust Control for Series ElasticActuator With Unknown Payload Parametersand External Disturbances

In this paper, the torque tracking control problem for a class of series elastic actuators (SEAs) in the presence of unknown payload parameters and external disturbances is investigated. The uncertainties/disturbances rejection problem for SEAs is addressed from the view of a continuous nonlinear robust control development. Specifically, based on the analysis of a nonlinear SEA, the generic dynamics of SEA systems is described and a novel nonlinear control framework for SEAs is constructed. Then a RISE (robust integral of the sign of the error)-based second-order filter is introduced to synthesize the control law. Moreover, the control performance is theoretically ensured by Lyapunov analysis. Finally, some experimental results are included to demonstrate the superior performance of the proposed control method, in terms of transient response and robustness.      

基于DSP的弹用电动舵机控制算法研究

主要研究了基于DSP芯片的电动舵机控制系统的相关控制算法。同时还介绍了电动舵机控制系统的基本原理以及有关DSP芯片的特点。