基于机械臂位姿变换的柔性负载伺服驱动系统控制策略

伺服驱动系统的柔性负载端转动惯量等参数随柔性机械臂位姿变化而变化,进而影响伺服驱动系统电动机输出端转速。为降低电动机输出端速度波动,采用极点配置的方法设计伺服驱动系统转速环PI控制器参数,该参数的选择随柔性机械臂位姿变化而变化,从而使伺服驱动系统在不同位姿下获得良好的动态响应特性,避免机械谐振发生。首先根据连续体振动理论和拉格朗日原理建立了柔性负载伺服驱动系统动力学模型,并通过状态方程求得电动机转速到柔性负载驱动转矩的传递函数。将变参数PI控制策略应用于伺服驱动系统转速环控制中,分析了柔性负载对转速环的控制特性的影响,采用极点配置的方法设计控制器参数。接下来分别采用相同幅值、相同阻尼系数、相同实部3种极点配置策略设计控制器参数。讨论了这 3 种极点配置策略不同参数对系统谐振峰值、谐振频率和带宽的影响。最后通过数值仿真分析表明:伺服驱动系统等效柔性负载参数与机械臂的位姿有关;柔性负载回转半径、转动惯量较大的情况,不适宜使用相同实部的极点配置方法,但其余两种方法可通过适当选择参数使电动机输出转速波动程度减小。     

基于人体动作姿态识别的机器人仿人运动*

以关节式机器人为对象,进行机器人仿人运动研究。从人体动作姿态识别、人-机动作映射、机器人运动控制等方面,详细阐述机器人仿人运动算法。提出人体动作姿态识别方法,利用Kinect传感器捕获人体运作的关节点位置信息,在建立人体基准坐标系的基础上,为了得到描述肩、肘运动的动作信息,计算人体手臂动作的关节角度,实现人体动作姿态的识别。在分析人体肩、肘等关节和机器人机构差异性的基础上,建立人体手臂与四自由度机械手臂的人-机动作映射规则。针对机器人自由度较少,无法完全复现人体运动的情形,分析、比较不同控制策略的优缺点和适用性,寻求适合机器人操作的复现控制策略。关节式机器人接收运动控制指令,执行相应的关节运动,从而实现机器人仿人运动。相关试验验证了人体动作姿态识别和机器人仿人运动控制算法的有效性。研究成果对于提高机器人控制和操作的简单易用性、提高人机交互能力具有借鉴意义,对于扩展机器人应用领域具有实践意义。     

基于参数优化的连铸结晶器振动位移系统 复合控制研究

本文以伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移控制系统为研究对象,针对系统工艺控制中要求伺服电机转速单方向、变 角速度转动,同时考虑系统控制器参数的选取大多依靠经验等问题,提出了一种基于前馈控制与参数优化的 PID 反馈控制相结 合的复合跟踪控制策略。 首先,根据伺服电机驱动的连铸结晶器振动位移系统特性,建立了伺服电机输出转速与振动位移之间 的近似数学模型。 其次,针对伺服电机单方向转动工艺约束条件,确定结晶器振动位移系统以转速补偿作为前馈控制器,保证 系统控制器输出大于零. 再次,针对振动位移系统控制器参数大多依靠经验选取的问题,提出采用一种改进的飞蛾火焰优化算 法优化 PID 控制器参数的策略,以实现结晶器振动位移高精度跟踪控制。 最后,通过仿真与实验验证所提方法的有效性,实验 结果表明:优化后的振动位移调整时间缩短了 0. 3 s,振动位移跟踪相对误差减小了 1. 8% 。     

谐波驱动柔性臂系统耦合动力学建模及辨识

为研究谐波驱动的柔性臂系统耦合动力学建模问题,分别进行了谐波驱动模型的参数辨识和柔性机械臂振动特性的耦合动力学模型辨识。通过阶跃电流激励和低匀速转动实验辨识出了关节的库伦摩擦力,在伪随机二进制信号的激励下,辨识得到了包含驱动系统转动惯量和黏性摩擦因数的驱动传递函数模型,将其与实际结构系统比较验证了此模型的准确性。理论分析了振动耦合力矩和柔性臂应变输出电压之间的线性关系,辨识得到了从电机转动角位移到柔性臂应变电压输出之间的传递函数,其输出在时域和频域上都与实际系统比较吻合,说明了建立的传递函数模型对于实际系统的适用性。综合两个辨识得到传递函数模型,实现了对谐波驱动的柔性机械臂系统的耦合动力学建模。     

仿人机器人SJTU-HR1及其运动分析

SJTU-HR1是由并联关节的组成的34个自由度新型仿人形机器人,根据人体生理结构设计了其各个关节。把各个并联机构关节作为一个模块,定义了关节的输出角度和输入角度,建立仿人形机器人整体坐标系,建立手臂和腿末端的位置正反解模型。为仿人机器人运动规划,动作设计以及控制系统建立奠定基础。     

机械手关节运动控制模块设计

以机械手腕关节为研究对象,选用LM629N芯片对机械手的关节运动控制进行设计,设置关节运动控制的轨迹参数,对LM629N校正滤波器和读写操作进行研究,设计出关节运动控制电路,组成关节伺服控制系统的一个模块,实现高精度位置控制的机械手关节半闭环控制。经过验证,节约了成本、达到了设计的要求,为机械手关节控制模块的设计提供了可借鉴的模式。     

基于 PI 控制策略的生产线搬运机械手电气控制系统设计

机械手运动过程相对复杂,而各机构的运行力量会对机械手控制造成影响,导致机械手电气控制效果较差,为此设计基于 PI 控制策略的生产线搬运机械手电气控制系统。在系统硬件部分,重点设计电源模块、数据存储模块和电机驱动器;在系统软件部分,对生产线搬运机械手进行运动学建模,采用 PI 控制策略建立控制模型,以此实现生产线搬运机械手电气控制。实验结果表明,该系统稳定性较好、运动精度高,并且在各个功能的控制上花费的时间较少,有效提高了机械手电气控制效果。     

Optimal load of robotic manipulator with joint elasticity using accuracy and actuator constraints

A computational technique for obtaining the maximum load-carrying capacity for a robotic manipulator with joint elasticity, subject to accuracy and actuator constraints, is described. Full load motions and increased productivity are linked in the industrial applications of many robotic manipulators; the maximum load carrying capacity which can be achieved by a manipulator during a given trajectory is limited by a number of factors. The dynamic properties of a manipulator, its actuator limitations, and joint elasticity (transmissions, reducers, and servo drive system) are probably the most important factors. This paper presents a strategy for determining dynamic load carrying capacity (DLCC), subject to both accuracy and actuator constraints, where a series of cubical bounds centred at the desired trajectory is used in the end-effector oscillation constraint while a typical d.c. motor speed-torque characteristics curve is used in the actuator constraint. The technique which considers the full nonlinear manipulator dynamics, actuator constraints, and accuracy constraints permits the manipulator user to specify the trajectory completely. Finally, a numerical example involving a two-link manipulator with joint flexibility using this method is presented and the results are discussed.     

无模型控制器在气缸压力控制系统中的应用研究

气动伺服系统存在纯时延、非线性、时变等特点,传统的控制策略(如PID控制)在解决非线性系统时效果不理想,因此提出一种无模型控制算法。此方法在被控对象结构复杂、参数时变时控制效果较好。首先对气动伺服系统进行建模,建模过程包括阀口流量、比例流量阀及缸内压力建立一个二阶模型;其次设计无模型自适应控制器(Model-Free Adaptive Controller,MFAC)用于气动伺服系统压力控制;最后利用LabWindows/CVI平台进行试验验证。结果表明,针对气动伺服系统设计的无模型控制器是有效的,相比于传统PID控制有更快的响应速度和更高的控制精度。     

基于多传感器的工业机械臂精细化操作远程控制方法

为实现远程控制工业机械臂时的精细化操作,使其关节轨迹具有连续、平稳、光滑的控制效果,提出基于多传感器的工业机械臂精细化操作远程控制方法。优化传感器的布局,以便采集信息;利用新息变化野值检测方法消除工业机械臂精细化操作中存在的野值,提高关节角度与速度信息的完整性和精度;将滑模控制与神经网络结合,消除因非线性、摩擦非线性和未知参数等不确定性因素对机械臂精细化操作的影响,构建工业机械臂操作远程控制器,实现工业机械臂精细化操作的远程控制。实验结果表明,所提方法可精准控制工业机械臂的关节角度与速度,具有较高的灵活性和高效性。     

五自由度电液伺服机械手运动控制系统研制

针对电液液伺服机械手在实际应用过程中存在运动精度低、运动平稳性差,控制模型存在非线性的问题,利用电液液伺服机械手具有负载能力强,能量密度大的优势,对机械手运动控制系统进行了研制。首先采用闭链矢量法对TCP进行了准确的位置矢量表示;其次,引入5阶B样条插值方法和改进型粒子群优化算法,得到了连续的TCP空间位移轨迹,实现了TCP位置的最优轨迹规划;最后,引入常规PID,IL-PID,NDI等控制策略,采用分级控制管理方案,实现了机械手各关节的运动控制,并利用5自由度电液伺服机械手进行了仿真和实际实验。研究结果表明:该运动控制系统能够准确地控制机械手在高负载,高精度要求下进行规定运动。     

基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制

为了使灵巧手更加轻质化、拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的19关节灵巧手。参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计。建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制。搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验。实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取。     

六自由度运动平台的动态响应特性分析及AMESim仿真

为了解决液压伺服系统中存在负载干扰等的不确定因素对系统造成不稳定性的问题,以伺服系统中的六自由度液压运动平台试验样机为研究对象,通过对伺服系统动态响应特性进行分析的基础上,提出了动态压力输出补偿的鲁棒H∞控制策略,并进行了物理模型的AMESim仿真.研究结果表明:该方法可在较大摄动的情况下获得好的鲁棒性,并且可以满足设计要求的响应频宽,从而保证平台运动的响应速度和精度.     

High-accuracy servo press system for the clinching joint process

This paper focuses on the quality improvements on clinching joints using a servo press with a Radial basis function neural network and a sliding mode (RBFS) control strategy. Bottom thickness, which is affected by the press punch position, is usually used to monitor clinching joint quality. Traditional clinching presses are driven by pneumatic pistons or motors that provide feedback on punch force or motor position. However, this feedback is indirectly related to the joint bottom thickness. Clinching workers who set the control parameters on these presses depend on tests and statistics. Thus, this paper presents a servo press system that utilizes punch position feedback to directly control the joint bottom thickness. Transmission errors are considered for the movement accuracy of the servo press. A mathematical model of the servo press is established for analyzing. An algorithm, which combines RBF neural network and sliding mode, is proposed and applied for press position tracking. This algorithm adopts an RBF neural network to approximate the nominal model of the press system. The update law of the algorithm is based on the Lyapunov function used to prove the stability of a closed-loop system. The sliding mode controller compensates for the neural network error and disturbance. Finally, experiments are executed on the servo press with an RBFS controller. To evaluate the performance of the proposed method, a fuzzy PID controller is also applied to the press for comparison. The results indicate that the servo clinching press system with RBFS efficiently and accurately control the clinching jointing process.

     

Compound Impedance Control of a Hydraulic Driven Parallel 3UPS/S Manipulator

The hydraulic parallel manipulator combines the high-power density of the hydraulic system and high rigidity of the parallel mechanism with excellent load-carrying capacity. However, the high-precision trajectory tracking control of the hydraulic parallel manipulator is challenged by the coupling dynamics of the parallel mechanism and the high nonlinearities of the hydraulic system. In this study, the trajectory control of a 3-DOF symmetric spherical parallel 3 UPS/S manipulator is evaluated. Focusing on the highly coupling and nonlinear system dynamics, a compound impedance control method for a hydraulic driven parallel manipulator is proposed, which combines impedance control with the spatial motion characteristics of a parallel manipulator. The control strategy is divided into the inner and outer loops. The inner loop controls the impedance of the actuator in the joint space, and the outer loop controls the impedance of the entire platform in the task space to compensate the coupling of the actuators and improve the tracking accuracy of the moving platform. Compound impedance control does not require force or pressure sensors and is less dependent on modeling precision. The experimental results show that the compound impedance control e ectively improves the tracking accuracy of the moving platform. This research proposes a compound impedance control strategy for a 3-DOF hydraulic parallel manipulator, which has high tracking precision with a simple and cheap system configuration.     

水下柔性驱动小车受限运动控制研究

针对一种水下柔性驱动轮式小车进行了小车在水下受限空间中的运动控制研究,在特定控制任务的要求下,提出了一种基于F+PID 模糊切换控制的复合速度控制策略。该策略利用模糊控制方法,克服柔性牵引机构及液压系统中存在的柔性变负载、参数时变以及滞后非线性等难点, 同时结合常规PID算法进行切换控制,消除了系统静差及盲区,弥补了模糊控制方法中存在的稳态精度不高的缺陷。另外,针对小车稳定运行阶段出现的冲击变负载,增加冲击补偿控制,有效削弱了小车速度抖振,提高了鲁棒性。全数字仿真及半实物仿真结果表明了该方法的可行性。     

SELF-RECONFIGURATION OF UNDERACTUATED REDUNDANT MANIPULATORS WITH OPTIMIZING THE FLEXIBILITY ELLIPSOID

The multi-modes feature, the measure of the manipulating flexibility, and self-reconfiguration control method of the underactuated redundant manipulators are investigated based on the optimizing technology. The relationship between the configuration of the joint space and the manipulating flexibility of the underactuated redundant manipulator is analyzed, a new measure of manipulating flexibility ellipsoid for the underactuated redundant manipulator with passive joints in locked mode is proposed, which can be used to get the optimal configuration for the realization of the self-reconfiguration control. Furthermore, a time-varying nonlinear control method based on harmonic inputs is suggested for fulfilling the self-reconfiguration. A simulation example of a three-DOFs underactuated manipulator with one passive joint features some aspects of the investigations.     

基于机器视觉的机器人仿生机械手避障轨迹控制系统

以提高机械手末端关节避障控制精准度为目的,提出一种基于机器视觉的机器人仿生机械手避障轨迹控制系统。以具有高灵敏性和主动性的控制器、伺服驱动器、无线通信器以及高网络带宽的传感监测器为硬件基础,采用机器视觉技术捕捉机械手关节动作。然后根据动力学原理建立避障位姿坐标系,代入关节动作数据计算其在坐标系中的位置。在定义控制范围的基础上,根据隶属度函数计算机械手在轨迹方向上夹角,并随机输出一个动态夹角变量。通过对变量值目标求导得出适配性最高的调节阈值,结合实际情况通过阈值调节实现精准控制。实验表明,该系统能够有效控制机械手末端关节避开障碍物达到指定目标位置,应用效果较好。     

基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法

针对当前机械臂运动位置控制方法存在机械臂关节节点位置的跟踪效果差和机械臂运动位置控制能力差的问题,提出基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法。首先对机械臂动力学进行分析,获取内部三连杆结构作用原理和机械臂动力学目标函数,再利用坐标求权矩阵重构机械臂动力学目标函数,获取机械臂相关的非线性微分方程,将非线性微分方程的输出结果,即机械臂动力学参数代入 CPG 神经网络中,构建机械臂运动控制模型。实验结果表明,所提方法的械臂关节节点位置跟踪效果好、机械臂运动位置控制能力强。     

直流伺服电机驱动的自动离合器控制

采用直流伺服电机驱动的自动离合器执行机构，与高速开关阀控制液压缸的执行机构相比，可使电控机械自动变速系统的结构大大简化，同时可提高离合器结合速度的控制精度。设计了基于模糊控制和PI控制双闭环控制的伺服电机驱动离合器执行机构，建立了数学模型，并进行了系统仿真。结果表明：直流伺服电机驱动离合器，能很好地控制离合器的结合速度，提高车辆起步品质。