基于双观测器的机器人自适应摩擦补偿控制

针对机器人系统中存在关节摩擦的问题,提出一种基于终端滑模观测器和摩擦状态观测器的双观测器自适应摩擦补偿反演控制方案:为避免速度测量带来的噪声影响,设计终端滑模观测器对机器人的速度进行估计;考虑到摩擦力无法直接获取,采用连续LuGre摩擦模型,设计摩擦状态观测器和摩擦参数自适应律,得到摩擦的估计值;结合摩擦估计值设计反演控制器,使机器人在受到关节摩擦影响的情况下能有效跟踪期望位置轨迹。最后通过Lyapunov函数证明闭环系统的稳定性以及机器人轨迹跟踪误差的收敛性,并通过MATLAB仿真验证该控制方案的有效性。仿真结果表明,该控制方法能有效抑制关节摩擦对机器人轨迹跟踪的影响,提高了系统的位置跟踪精度。     

自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪控制

引起针对自由漂浮柔性空间机器人的轨迹跟踪控制问题,利用拉格朗日和假设模态法建立了动力学模 型,综合考虑其欠驱动、柔性振动等特点,将其简化为一种带有柔性振动扰动完全可控的动力学模型;在此基 础上,考虑载体姿态干扰,提出一种改进自适应非奇异终端滑模控制策略,该方法采用自适应技术实时在线 学习扰动参数,并引入条件积分改进滑模面消除干扰的稳态误差,从而保证所设计的控制律对扰动具有 良好的鲁棒性;最后,基于Lyapunov方法证明了该控制策略能够实现关节期望轨迹的跟踪．仿真结果表明该 控制策略对载体姿态干扰下系统轨迹跟踪控制的有效性和可靠性     

基于自适应动态控制的无人车轨迹跟踪控制器设计

针对无人车系统存在干扰和故障影响的问题,文中设计一种基于滑模观测器的自适应轨迹跟踪控制方法。考虑无人车在运行过程中存在系统参数摄动和执行器传动机构加性故障的情况,同时结合系统非线性结构特性,设计自适应滑模观测器估计故障信号,并在此基础上设计自适应控制律对系统时变参数进行在线估计,保证闭环系统稳定且满足给定路径跟踪性能要求。仿真结果表明,在系统时变参数和执行器加性故障影响下,应用文中设计的控制方法可以取得期望的轨迹跟踪性能且鲁棒性较好。     

基于ESO的全驱动船舶递归滑模动态面输出反馈控制

全驱动非线性船舶轨迹跟踪控制问题存在模型参数不确定和外部扰动未知的双重不确定性,仅位置和艏向可测,对此提出基于非线性三阶扩张状态观测器(ESO)的递归滑模动态面输出反馈控制.通过非线性三阶ESO观测船舶实时速度,估计和补偿系统不确定项,完成对船舶实时位置和艏向的滤波,提出递归滑模动态面输出反馈轨迹跟踪控制算法来保证跟踪控制系统的稳健性和稳定性,利用Lyapunov理论证明控制系统一致最终有界,并仿真验证理论结果.     

一种无模型的机器人非线性输出反馈控制

针对非线性不确定机器人系统的轨迹跟踪控制问题,在传统PID控制器的基础上,设计带观测器的无模型连续控制器.控制器由PD控制部分和非线性积分部分组成,其中PD控制部分用于镇定系统,非线性积分部分用于提高算法的收敛速度,同时考虑到速度信号不易获取,引入线性观测器估计机器人关节的速度,并在理论上证明了观测误差和跟踪误差最终趋向于零.在SCARA机器人的两个旋转关节上进行轨迹跟踪试验,结果表明,采用该控制算法得到了理想的控制性能,在同样的反馈增益下,采用观测器后的平均跟踪误差和最大跟踪误差降低了30%以上,而控制输出的震荡程度只有无观测器时的60%.     

采用积分流形与观测器的并联机器人轨迹控制

针对含柔性杆件并联机器人在高速运行时其末端存在弹性位移问题,以3RRR并联机器人为研究对象,提出一种基于积分流形与高增益观测器的柔性并联机器人轨迹跟踪复合控制算法.基于刚度矩阵引入小参数,将刚柔耦合动力学模型转为慢速与快速两个子系统.针对慢速子系统,采用反演控制,实现对末端刚体运动的跟踪控制,同时为避免杆件弹性变形与振动组成的弹性位移对机器人末端轨迹的影响,推导校正力矩,实现对弹性位移的补偿.针对快速子系统,采用滑模变结构控制,保证流形成立.为避免对曲率变化率的直接测量,引入高增益观测器对其进行估计.采用Lyapunov稳定性原理证明系统整体稳定性,并给出小参数上界.对提出的复合控制算法与奇异摄动及基于刚体动力学的反演控制算法进行仿真,从机器人末端振动抑制与轨迹跟踪性能两方面进行对比,验证了本文所提算法的控制效果.     

基于耦合滑模面的机械臂操作柔性负载系统分布参数控制

针对多变量刚柔耦合的机械臂操作柔性负载系统,提出了一种自适应滑模控制方法,研究了系统存在参数不确定性和外部干扰影响下的位置控制和振动抑制问题。系统动态特性由偏微分方程表示的分布参数模型来描述,避免了集中参数模型导致的溢出问题。基于对柔性负载的能量动态分析,设计了一种自适应滑模控制器,其中滑模面定义为关节角误差、关节角速度误差和柔性负载的根部应变和剪切力的耦合。利用LaSalle不变性原理,证明了闭环系统的渐近稳定性。最后仿真验证了所设计控制方法的有效性。     

双连杆柔性臂自适应模糊滑模控制

为使控制系统在负载和杆长变化时仍能快速、准确地跟踪期望轨迹,基于奇异摄动模型将双连杆柔性臂系统分解为慢变、快变2个子系统,提出了一种慢变子系统采用自适应模糊滑模控制、快变子系统采用最优控制的混合控制方法。其中自适应算法在线估计未知参数,模糊控制用来抑制由滑模控制引起的振动。仿真结果表明,该方法不仅能实现柔性臂轨迹的快速、准确跟踪,而且能有效地抑制弹性振动,并且对系统参数的变化具有较强的鲁棒性。该方法的特点是对系统中各个等效的摄动参数分别进行自适应估计和补偿,因而控制算法简单,易于工程实现。     

板球系统的非线性摩擦补偿控制

为提高位置控制精度,提出了基于非线性观测器的板球系统摩擦非线性补偿控制方法。在扩展的系统状态空间中构造了非线性状态观测器估计摩擦力。由输入输出精确反馈线性化和最优控制理论设计了考虑摩擦补偿的镇定位置控制器。根据变结构控制理论设计了可精确消除摩擦的跟踪位置控制器。仿真结果说明了上述摩擦非线性补偿控制方法的可行性。镇定控制实验表明非线性摩擦补偿控制明显减小了稳态位置偏差。跟踪控制实验表明摩擦补偿控制明显提高了轨迹跟踪控制精度。     

基于扩张状态观测器的机械臂滑模控制

为了解决机械臂在外部干扰和自身参数不确定性情况下的轨迹跟踪控制问题,提出一种基于扩张状态观测器（ESO）的机械臂滑模控制方法.针对干扰信号,设计扩张状态观测器对系统的总扰动进行估计;将估计出的扰动值引入基于机械臂动力学方程设计出的滑模控制律中,完成了对机械臂轨迹跟踪控制方法的设计;最后,利用Lyapunov函数验证了系统的稳定性.仿真结果表明：基于扩张状态观测器的机械臂滑模控制可以克服外部扰动和自身参数的不确定性,使系统具有较好的鲁棒性,控制机械臂能较好地跟踪给定轨迹.     

考虑万向轮扭转角扰动轮式移动机器人轨迹跟踪

为了研究轮式移动机器人运动过程中万向轮扭转的扰动对其轨迹跟踪的影响,提出了一种考虑前端万向轮摩擦扰动及其质心与几何中心不重合的轨迹跟踪控制方法。首先,建立了考虑万向轮扭转角扰动的轮式移动机器人动力学模型;其次,根据位姿误差模型,采用反步法设计虚拟速度控制器收敛系统位姿误差;然后,结合扰动观测器对机器人行进过程中万向轮扭转所带来的摩擦扰动进行估计,构造出一种基于积分滑模思想的力矩控制器以保证速度追踪;最后,利用Lyapunov稳定性理论对系统的稳定性和渐近收敛进行证明。仿真及实验结果表明,将万向轮摩擦所带来的扰动反馈给动力学控制器,可以减轻控制器的负载。与忽略万向轮扰动的控制方法相比,轮式移动机器人的位置误差最大值的均方根值降低了37.37%,提高了运动系统的稳定性。     

Anti-Dead-Zone Integral Sliding Control and Active Vibration Suppression of a Free-floating Space Robot with Elastic Base and Flexible Links

Under the conditions of joint torque output dead-zone and external disturbance, the trajectory tracking and vibration suppression for a free-floating space robot (FFSR) system with elastic base and flexible links were discussed. First, using the Lagrange equation of the second kind, the dynamic model of the system was derived. Second, utilizing singular perturbation theory, a slow subsystem describing the rigid motion and a fast subsystem corresponding to flexible vibration were obtained. For the slow subsystem, when the width of dead-zone is uncertain, a dead-zone pre-compensator was designed to eliminate the impact of joint torque output dead-zone, and an integral sliding mode neural network control was proposed. The integral sliding mode term can reduce the steady state error. For the fast subsystem, an optimal linear quadratic regulator(LQR) controller was adopted to damp out the vibration of the flexible links and elastic base simultaneously. Finally, computer simulations show the effectiveness of the compound control method.     

基于H∞理论的滚珠丝杠进给系统滑模控制

针对滚珠丝杠进给系统的动态特性,建立参数不确定的数学模型. 为了消除参数不确定的影响,设计满足H∞性能的积分滑模控制器. 针对存在的未知干扰,设计指数干扰观测器进行补偿. 分析结果表明,本研究的控制方法具有L₂增益性能. 利用该方法在滚珠丝杠实验台上进行轨迹跟踪实验. 实验结果表明,当使用设计的控制器时,最大跟踪误差为16.85 μm;当使用设计的控制器加上指数干扰观测器时,最大跟踪误差为10.18 μm;在工作台增加25 kg质量块后,当使用设计的控制器加上干扰观测器时,最大跟踪误差为15.61 μm. 实验结果说明所设计的控制器具有较好的性能,并且干扰观测器能够提高控制精度. 与传统的比例-比例积分控制器的对比结果说明本研究的控制方法有较好的综合性能.     

双臂空间机器人的固定时间轨迹跟踪控制

针对双臂空间机器人轨迹跟踪控制问题,考虑系统跟踪误差收敛时间易受初始状态影响,提出与初始状态无关的固定时间非奇异快速终端滑模控制策略. 基于固定时间稳定性理论,设计改进的固定时间非奇异快速终端滑模面. 该滑模面解决了终端滑模控制的奇异问题,使得系统跟踪误差在远离、接近原点时均有较快的收敛速度. 为了削弱滑模控制存在的抖振现象和提高趋近阶段的收敛速度,提出改进的固定时间趋近律,应用李雅普诺夫理论证明闭环系统的固定时间稳定. 以双臂空间机器人为被控对象进行对比仿真,结果表明,所提控制策略具有更高的控制精度、更快的收敛速度和更强的鲁棒性.     

基于卷积力矩观测器与摩擦补偿的机器人碰撞检测

针对常规工业机器人在未知环境下运行时可能产生碰撞的安全性问题,提出一种新型的机器人碰撞检测算法. 设计卷积力矩观测器,通过实时观测关节输出力矩与动力学估计力矩的偏差实现机器人碰撞检测. 为了避免机器人处于不同位姿、运动状态等情况下关节摩擦对机器人碰撞检测的干扰,采用静态LuGre模型对关节摩擦进行补偿. 通过对实际工业机器人的运动监测,辨识出更加准确的静态LuGre模型参数. 该碰撞检测算法无需加速度信息,避免了对位置反馈信息二次求导所带来的计算误差. 关节力矩基于关节伺服驱动的电流信息获取,无需安装专门的力/力矩传感器,从而在常规工业机器人无需额外配置的情况下,只需采集机器人关节驱动电机电流和位置信息即可实现碰撞检测. 通过人与机器人交互实验验证了该碰撞检测算法的有效性.     

无模型动态摩擦的自回归小波神经补偿控制

针对低速伺服系统的摩擦补偿问题,提出一种基于自回归小波神经网络的智能控制算法,无需预知系统的动力模型参数,仅通过闭环位置反馈,网络即能利用极少的神经元和迭代次数实现对非线性摩擦的高精度补偿.Lya-punov稳定性分析结果证明了跟踪误差和网络权值的有界收敛性.某型机器人关节的伺服实验结果表明,引入自回归小波神经补偿算法后的伺服定位精度得以大幅度提高.     

基于切换增益调节的神经滑模控制的机器人位置跟踪

针对机器人的位置轨迹跟踪问题,提出一种基于切换增益调节的神经网络滑模控制方法。首先设计基于机器人位置的滑模控制器模块,然后通过神经网络来调节滑模控制器中的切换增益,使得切换增益能随着外界干扰作用等不确定项的改变而改变,从而能实时地估计切换增益,解决传统滑模控制中的抖振问题,最后,以双臂机器人为对象,采用MATLAB仿真软件对该控制算法进行了验证。结果表明,与传统的滑模控制相比较,该方法能使机器人更好地跟踪期望的位置轨迹,并有效地减轻了抖振。     

六自由度装配机器人的动态柔顺性控制

为了提升工业机器人装配的精确性与柔顺性,提出适合工业六自由度装配机器人的动态柔顺性控制策略,使之不仅能够实现快速高精度的参考轨迹跟踪,而且能够动态地切换到工件装配时的接触力控制,并能够保持良好的柔顺性接触力.构建机器人关节空间的标准动力学模型,并变换到末端执行器操作空间,获得操作空间的动态特性.给出该控制策略,主要包含参考轨迹给定模块、内环的轨迹跟踪控制器以及动力学参数辨识模块等.采用滑模算法设计轨迹跟踪控制器;采用阻抗滤波器,生成装配作业时末端执行器的期望运动轨迹;采用sigmoid函数设计轨迹跟踪与接触力控制的判别模块;采用最小二乘算法,设计动力学参数辨识模块.采用Lyapunov函数证明了该控制策略的大范围渐进稳定性和收敛性.基于装配实验台上进行现场装配和动态轨迹跟踪的对比性仿真实验研究.仿真实验结果表明：与典型的比例微分（PD）控制相比,动态柔顺性控制能够在较宽广的范围内实现更精确的空间轨迹跟踪和接触力柔性控制,平均相对误差可以有效地控制在-4%到+4%之内.