气动肌肉驱动机器人手臂的H∞跟踪控制方法研究

针对气动肌肉系统存在的参数不确定、外部干扰等问题,提出一种H_∞最优跟踪控制方法,用于控制由气动人工肌肉二头肌/三头肌拮抗驱动的单连杆机器人手臂。利用一种无模型的积分强化学习算法,求解机器人关节最优跟踪问题推导出的哈密顿-雅可比-艾萨克方程。所提算法有效解决了未知参数和外部干扰问题,并且不依赖于精确的系统动力学模型。通过计算仿真验证了所提H_∞跟踪控制器的有效性,并保持了机器人关节受控系统的稳定。仿真实验中,机器人关节实现了大范围的0°～90°的仿人运动,并且在跟踪周期轨迹时具有良好的角度和角速度跟踪性能。     

气动肌肉仿生关节建模与机构优化设计仿真

关于机器人关节动态设计优化问题,机器人关节机构应随仿生特性要求而变化.建立了拮抗安装气动肌肉驱动的关节模型,通过齐次坐标变换建立了气动肌肉伸缩量与关节转角之间的精确模型.提出了4个约束条件,定义了关节有效摆动角度.为分析不对称和不等高机构对转动角度、速度及加速和控制精度的影响,利用MATLAB编程进行了3组参数下的摆动仿真,对比了关节轨迹曲线,并分析了各约束条件的强弱.针对人手臂关节,优化设计了仿生肩和肘关节.与传统方案对比表明,优化设计的仿生肘关节转角范围更广;肩关节加速性能更好;仿生关节性能特性更接近人类上肢体运动特点.     

机器人的CP-nets优化类人轨迹规划（英文）

机器人移动轨迹按照人的手臂来模拟是提高机器人安全性和人机交互能力的有效方法;特别是针对机器人抓取路径不唯一的场合,类人行为对于人机系统表现更加自然.此前,通常利用Kinect等设备,基于人工神经网络和K近邻算法等智能算法对类人轨迹进行规划,但无法获得未采样过的最优轨迹.本文基于CP-nets采用偏好模型研究类人运动轨迹,然后将该模型应用于机器人控制,在没有采样的情况下,也可得到最优的类人轨迹.实验结果表明,基于CP-nets的类人规划轨迹具有较高的效率和舒适性,符合人的运动特征.     

气动人工肌肉驱动的肘关节辅助机器人迟滞补偿

面向上肢康复与辅助运动,研制了一款基于气动人工肌肉(PAM)柔顺驱动的肘关节辅助机器人.气动人工肌肉的迟滞非线性极大降低了系统的运动精度.常见的基于离线辨识的迟滞补偿方法不能很好地适应系统状态的变化.本文提出了一种将直接逆模型法与改进的自适应投影(MAP)算法相结合的自适应迟滞补偿策略:基于直接逆模型法,使用Prandtl-Ishlinskii模型创建系统的逆迟滞模型,并以该模型为迟滞补偿器;使用MAP算法实现逆迟滞模型参数的在线辨识.这种方法无须离线建模与求逆,且无须针对不同的轨迹调节控制器参数.实验结果表明,与PID(比例-积分-微分)控制器与自适应投影(AP)算法相比,该方法有效地补偿了系统的迟滞,暂态过程的调节时间与超调量明显优于前面2种方法,闭环系统能够很好地跟踪阶跃与幅值衰减的正弦信号等不同类型的运动轨迹.     

级联气动肌肉仿人肘关节建模与模糊控制

针对现有单组拮抗式配置的气动肌肉关节输出力小、运动范围不足等问题,设计了一种级联气动肌肉仿人肘关节,采用2组拮抗式配置的气动肌肉驱动关节.建立了仿人肘关节模型,并设计了模糊控制器,将关节柔度C、角度作为模糊控制器的输入,上下臂比例K、PI(比例-积分)参数作为模糊控制器的输出.分别采用PI控制和模糊PI控制进行了肘关节位置跟踪实验,通过实验证明了级联方案设计的合理性以及模糊控制方法的有效性.     

机器人的CP-nets优化类人轨迹规划

机器人移动轨迹按照人的手臂来模拟是提高机器人安全性和人机交互能力的有效方法,特别是针对机器人抓取路径不唯一的场合,类人行为对于人机系统表现更加自然。此前,通常利用Kinect等设备,基于人工神经网络和K近邻算法等智能算法对类人轨迹进行规划,但无法获得未采样过的最优轨迹。本文基于CP-nets采用偏好模型研究类人运动轨迹,然后将该模型应用于机器人控制,在没有采样的情况下,也可得到最优的类人轨迹。实验结果表明,基于CP-nets 的类人规划轨迹具有较高的效率和舒适性,符合人的运动特征。     

基于大数据聚类的智能探测机器人运动控制系统设计

为了减小智能探测机器人运动轨迹误差,实现精准控制,提高智能探测机器人运动控制效率,设计基于大数据聚类的智能探测机器人运动控制系统;采用TMS320LF2407A主控芯片,集成650 V功率管,在电感电流断续模式下工作,提供系统驱动能量,设置光电耦合器,处理控制信号发射,调整控制电路内部电流关系;选用6ES7214-1AG40-0XB0控制器以及信号和通信模块扩展,控制机器人运动轨迹,结合内部驱动装置,整合运动数据信息进行存储,实现运动控制系统硬件结构设计;通过调节程序开始数据,结合内部脉冲数据,构建软件平台管理模块,获取机器人运动轨迹数据;采用大数据聚类技术,建立控制系统大数据分布结构模型,模拟非线性时变LFM控制信号,提取特征并聚类运动轨迹数据,获取精准运动轨迹数据,减少运动轨迹偏差程度,完成运动控制系统软件设计;实验结果表明,基于大数据聚类的运动控制系统的运动轨迹误差较小,能够有效实现精准控制,提高运动控制效率.     

蛇形机器人蜿蜒运动控制分析

针对蛇形机器人的蜿蜒运动控制,首先分析了关节角度约束对运动控制函数参数取值的限制,确定了满足机械结构的运动控制参数范围;之后在Adams仿真环境下,建立蛇形机器人的三维虚拟运动模型,进行蜿蜒运动仿真,通过分析幅值控制参数对蛇形机器人弯曲度、运动速度和运动轨迹偏移的影响,提出了调整幅值参数的方法;实验结果表明,调整方法的有效性,从而实现蛇形机器人蜿蜒运动控制的优化。     

基于线性二次型最优控制的机器人示教数据处理系统设计

针对机器人拖动示教过程中传感器采集的数据含有噪声的问题,提出了一种基于线性二次型最优控制的运动轨迹控制器。首先,针对机器人关节运动特性建立状态空间模型,并设计相应的性能指标;然后,采用线性二次型最优控制设计最优控制律和相应的控制系统;最后,以Franka Emika机器人为示教对象进行实验,将机器人自身传感器采集的数据作为最优控制系统的输入,将系统输出用于机器人的运动控制,完成机器人拖动示教。实验结果表明,线性二次型最优控制方法能有效抑制传感器采集数据的噪声,较好地将关节速度、加速度和急动度的幅值控制在合理范围内,使处理后的数据能更好地应用于机器人的拖动示教。     

气动肌肉群驱动球关节机器人的无模型自适应控制

设计了一种由气动肌肉群驱动的三轴球关节机器人,并对其进行逆运动学分析.根据该机器人的运动学逆解,提出了基于非线性反馈的气动肌肉群控制策略.气动肌肉系统是一个强非线性时变的自平衡系统,鉴于传统控制方法难以克服控制精度、响应速度和稳定性之间的矛盾,引入改进型无模型自适应控制器.实验证明,在保证稳定性的前提下,控制器提高了系统的调节速度和控制精度,使得系统的稳态误差小于0.3,取得了良好的控制效果.     

气动人工肌肉拮抗关节的力与刚度独立控制

针对柔性仿生关节难以实现力与刚度独立控制的问题,建立了一种新的气动人工肌肉等效弹簧模型及关节力和刚度模型,设计了一种双输入双输出滑模控制器,来实现对气动人工肌肉拮抗关节力与刚度的独立控制．最后,搭建了气动人工肌肉驱动的拮抗关节实验平台,在关节位置固定和开放两种状况下进行了实验研究,验证所提方法的有效性;在不同负载情况下进行了对比实验,验证所提方法的通用性．所提出的建模和控制方法综合考虑了仿生关节位置、力和刚度相对独立控制,在机器人与人或环境互相作用的场合有很好的应用前景．     

冗余驱动仿下颌运动机器人工作空间分析及试验验证

根据人类下颌系统冗余驱动的生理特性,即下颌受颞下颌关节约束且受多于本身自由度数目的下颌肌肉驱动的特点,介绍了一种采用点接触高副模拟人体颞下颌关节的6PUS-2HKP(higher kinematic pair)冗余驱动并联机构来完成下颌运动,该机构可应用于牙科义齿性能测试.首先,建立机器人的坐标系,针对机构存在点接触高副的特点,分析和推导了冗余并联机构的独立位置参数和运动学方程.然后,采用下颌运动轨迹描记仪对实验对象下颌切点边缘性运动进行了采集.通过分析各驱动机构及点接触高副的运动范围,采用数值分析的方法获得了机器人的工作空间.最后,采用实验的方法,测量了仿下颌运动机器人做最大运动时下颌切点的运动轨迹.通过对比实验对象切点边缘性运动和工作空间仿真结果可知,该仿下颌运动机器人能够满足人类下颌运动空间要求.     

实现人身和机器人交流的神经振动子控制算法

为实现人身和机器人交流时的运动同步,首先提出了一类非线性多关节神经振动子运动控制算法,其输入为机器人和人相互作用所产生的关节扭矩信号,输出为机器人关节期望角度;然后对具有代表性的二关节神经振动子控制算法中各参数的耦合特性进行了分析;最后,基于7自由度机器人臂平台对该神经振动子控制算法的有效性进行实验.实验结果表明,该控制算法能够实现人和机器人相互运动的同步,通过调节神经振动子的增益参数,同步的程度能够被改变.     

气动人工肌肉驱动的机器人控制方法研究现状概述

随着机器人技术的飞速发展,传统执行器(如电机、液压驱动等)结构繁冗、体积庞大,越来越难以满足新一代智能机器人对轻质化与柔顺性的需求,具有更高柔顺性、更强安全性的气动人工肌肉日益受到广大学者的关注.气动人工肌肉结构简单、材料轻便、生物适应性好,在医疗康复、航空航天、水下作业、抢险救灾等领域均具有良好的适应性,可方便地用于驱动机器人完成多项复杂任务.然而,气动人工肌肉与生俱来的迟滞、高度非线性、蠕变等特性,为其驱动的柔性机器人精准智能控制带来了挑战.鉴于此,首先对气动人工肌肉的工作原理、优势缺陷、建模与应用现状等进行简要介绍;然后基于气动肌肉的主流模型,对近年来单、多气动人工肌肉驱动的机器人运动控制方法研究现状与最新进展进行重点阐述;最后根据当今研究现状与尚未解决的难题,简要分析气动人工肌肉驱动的机器人未来发展趋势.     

气动肌肉下肢外骨骼机器人轨迹跟踪研究

气动肌肉下肢外骨骼机器人是当下的热门研究话题,对外骨骼理想轨迹进行精确跟踪是研究重点。但是气动肌肉下肢外骨骼运动系统结构复杂,有着很强的非线性,传统的控制方法不适用于这类系统。文章以气动肌肉下肢外骨骼机器人为研究对象,首先对气动肌肉和下肢外骨骼进行了动力学分析;然后采用基于趋近律的滑模控制器来对这一复杂的系统进行控制;最后利用Simulink对气动肌肉下肢外骨骼机器人运动控制仿真。结果表明,基于趋近律的滑模控制器对气动肌肉下肢外骨骼机器人轨迹跟踪有很好的控制效果。     

复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼的运动控制

设计了复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼系统,并研究了外骨骼关节精密运动控制问题.首先,介绍了复式套索人工肌肉驱动的下肢外骨骼系统.其次,建立了复式套索人工肌肉的传递模型,并基于拉格朗日法建立了下肢外骨骼动力学模型.然后,基于该动力学模型提出了一种滑模控制方法.进行了滑模控制与比例-微分(PD)控制外骨骼膝关节运动的对比实验,证明了该滑模控制算法具有更高的运动控制精度.最后,完成了下肢外骨骼的被动训练实验,其关节角度跟踪误差低于3.78?.     

气动人工肌肉关节的迭代反馈整定控制及优化

气动人工肌肉关节（PMA）具有低成本、柔顺性和与生物肌肉类似的力学特性等优点，在医疗设备、仿生机器人等领域得到广泛应用.本文针对气动人工肌肉充气变形过程中存在的强非线性、时变性和控制参数难以确定的问题，提出了一种基于迭代反馈整定（IFT）算法的数据驱动优化控制策略，直接基于系统的输入输出数据，定义跟踪性能准则函数并采用Gauss-Newton估计算法实现对PID控制器参数的迭代整定，并通过引入辅助因子获取性能准则函数加权因子的最优值进一步加快了IFT算法的收敛速度.仿真结果表明，该方法相对于Ziegler-Nichols等传统PID参数整定方法可以有效提高控制系统的跟踪性能和鲁棒性.     

基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的步态控制

针对生物蛇不同步态的运动特点,提出了一种基于Hopf振荡器实现的蛇形机器人的中枢模式发生器(CPG)运动控制方法.首先,利用具有非线性极限环特性的耦合的Hopf振荡器构建出能够实现蜿蜒运动和侧向蜿蜒运动两种步态的链式网络模型.然后,根据动力学仿真软件建立机器人的虚拟样机,利用模型中振荡器的输出作为蛇形机器人分布式多冗余度关节的控制信号来驱动前进,成功实现了以上两种运动方式,并讨论了CPG的模型参数与机器人前进速度的关系.最后,在实物样机上的实验进一步验证了所提出的方法在实现蛇形机器人多种步态控制方面的有效性.     

下肢假肢斜坡路况运动控制策略分析

为使下肢假肢在斜坡路况下配合人体健肢侧交互运动,在对下肢假肢穿戴者斜坡运动模式分析的基础上,制定针对斜坡路况的下肢运动轨迹规划方法,得到假肢膝关节的模拟运动轨迹.应用紧格式线性化方法解决下肢关节高度非线性问题的思路,采取无模型动态矩阵控制方法实现对模拟运动轨迹的追踪,结合反馈校正和滚动优化实现斜坡路况下膝关节角度的预测输出,并对控制系统的稳定性进行理论分析.仿真和运动控制平台的实验结果表明,假肢膝关节的斜坡运动轨迹可以紧紧跟随参考轨迹变化,假肢膝关节可与健肢侧协调平稳运动.     

逐点线性化后退区间最优控制在飞机非线性控制中的应用

常规线性飞控系统针对推力矢量飞机这样的多控制冗余、非线性MIMO系统,无法实现非线性控制．本文针对推力矢量飞机非线性系统,阐述了一种逐点线性化后退区间最优控制算法满足飞行品质要求．首先将作动器,飞行品质和逐点线性化的飞机线性模型综合实现在线建模,然后以飞行状态与预测状态之间的误差、作动器的位置限制和速率限制作为最优指标,最后以此为基础,根据最优控制原理计算当前时刻飞机最优控制指令,实现飞机非线性控制．采用国内某型号飞机气动数据验证此算法的鲁棒性和稳定性．