基于关节位置约束的冗余机械臂协调控制误差仿真研究

针对冗余机械臂关节位置约束问题,设计了冗余机械臂关节位置控制策略,在不同条件下对机械臂运动效果进行仿真验证。建立冗余机械臂简图模型,通过雅可比矩阵推导机械臂运动方程式。分析机械臂优先级任务体系构造,比较冗余机械臂在不同优先级条件下的极限状态,引入了机械臂监控系统。设置机械臂仿真环境,采用MATLAB软件对机械臂运动进行仿真。结果表明:机械臂2个关节都违背了极限限制;监控系统在保证关节位置规避限制的同时,会导致路径跟踪误差较大。但是,路径跟随误差不会影响所需的相对末端效应器运动,能够保持末端执行器的相对运动,保证抓取对象的稳定性;证明了冗余机械臂控制器的有效性。采用该策略避免了运动过程中的机械臂关节的限制,能够实现机械臂抓取物体的路径跟踪功能。     

基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究

为了提高冗余自由度机械臂的运动准确性,进行基于全局最优滑模控制器的冗余自由度机械臂运动控制的研究。分析冗余自由度机械臂的机械结构,明确其结构组成及运动原理。通过各关节节点的旋转角度及连接臂长度,分别求取了相邻关节节点间的旋转关系式及关节结点相对基础坐标的移动矢量,并通过该移动矢量得出机械臂的动力学方程。通过机械臂的动力学方程,计算出单个关节节点的系统方程。利用角度误差构造滑模面,并在此基础上利用单个关节节点的系统方程,建立滑模控制器。为了获取滑模控制器中滑模加权因子和趋近加权因子的最优解,采用粒子群算法在解空间中对其进行全局搜索,从而得到全局最优化的滑模控制器,用于对冗余自由度机械臂的运动过程进行控制。实验中,采用此方法和干扰观测器方法对关节节点的运动过程及末端执行器的运动过程进行了控制,从控制结果可知:在控制关节节点及末端执行器运动时,此方法比干扰观测器方法的控制准确度分别提高了17.12%和13.49%,表明此方法能有效保障冗余自由度机械臂的运动准确性。     

串联机械臂关节铰间隙配合精度的设计方法

在串联关节型机械臂的研究中大多都忽略铰间隙的影响,为了得出铰间隙对平面关节式机械臂运动影响,以平面2R机械臂为研究对象,利用DH坐标变换法得出其运动学方程;利用二关节之间的配合关系来确定铰间隙;根据不同的间隙进行三维建模和运动仿真;对仿真结果从位移、速度、加速度三个方面进行对比和分析;利用末端位姿允许误差及MATLAB蒙特卡洛模拟设计铰间配合精度。从结果可以看出:间隙越大末端执行器的位姿精度越低,速度和加速度波动越大但总体波动时间较短,角加速度波动次数较多但波动幅度较小。间隙较小时结果反之。二关节之间不同的间隙组合对机械臂运动也有较大影响。利用末端允许误差及蒙塔卡洛模拟可设计出较优的铰关节处配合精度。     

基于扰动观测器的冗余机械臂任务空间控制

针对冗余机械臂在任务空间中的轨迹跟踪控制精度差问题,提出了一种基于非线性扰动观测器的滑模控制算法。首先,将末端执行器位姿轨迹通过运动学逆解转换成关节空间内的关节角轨迹,降低运动学求解的计算量;其次,利用拉格朗日法获得机械臂的动力学模型,明确系统输入输出关系;进而,设计非线性扰动观测器来估计与补偿系统的集总干扰,并引入基于趋近律的滑模控制算法来加快系统状态量的收敛速度;再者,控制器的稳定性在李雅普诺夫框架下得以证明;最后,以7自由度冗余机械臂为例对该文所提方法的有效性进行了仿真验证。仿真结果表明:文中控制器的控制性能要优于LADRC与SMC-LESO,能保证关节角具有较高的轨迹跟踪精度;该文方法能够较好地解决冗余机器人的运动学逆解问题,将求解精度控制在0.1mm的量级内。     

非线性时滞弹性关节机械臂系统稳定性与Hopf分岔

以非线性时滞弹性关节机械臂系统为研究对象,引入时滞建立系统动力学方程。利用多尺度法对非线性弹性关节机械臂系统进行理论分析,得到系统发生Hopf分岔的规范型。讨论时滞参数对系统Hopf分岔的影响,并对其周期解的稳定性以及产生的唯一极限环进行分析;通过数值计算对理论分析结果进行验证。结果表明:数值计算的结果与理论分析的结果具有较好的吻合度,验证了多尺度方法的有效性和可行性。     

角接触球轴承-转子系统动力学行为研究

为研究角接触球轴承-转子系统非线性行为,利用角接触球轴承反力与轴颈中心位移关系,建立五自由度角接触球轴承-转子系统动力学模型,推导出系统运动微分方程,并采用龙格-库塔法求解,着重讨论轴向力对系统非线性行为的影响。计算结果表明:角接触球轴承-转子系统动力学行为非线性特性显著;随着轴向力的增加,系统的响应由周期运动、倍周期运动、拟周期运动发展到混沌运动。由于轴向力作用,轴承支承刚度发生变化,导致转子两端轴颈中心的动力学响应明显不同。     

柔性宏刚性微机械臂空间焊接轨迹跟踪

柔性宏刚性微机械臂是一类特殊结构机械臂系统,适用于空间大范围运动与精密操作任务.文中以2个柔性宏机械臂和3个刚性微机械臂构成的平面机械臂为研究对象,对其动力学建模、宏微冗余空间分解、运动误差补偿等问题进行了研究,给出了较为详实的仿真试验结果,验证了采用柔性宏刚性微机械臂实现空间焊接的可能性.     

双连杆柔性关节机械臂分数阶线性自抗扰控制

针对双连杆柔性关节机械臂的柔性振动和受外部干扰的问题，提出了一种复合控制器的控制策略。通过拉格朗日方程建立了考虑关节柔性的刚柔耦合的机械臂动力学模型，使用奇异摄动法对机械臂系统解耦，使其分解成代表刚性部分的慢速子系统和代表柔性部分的快速子系统；对于慢速子系统，设计了带有前馈补偿的分数阶线性自抗扰控制器来抵抗内外扰动，实现了机械臂的高精度的轨迹跟踪，对于快速子系统，采用微分补偿项补偿，来抑制关节的柔性振动，从而达到系统稳定。实验和仿真结果表明，系统可以有效地实现双连杆柔性关节机械臂的轨迹跟踪，并且相对于整数阶线性自抗扰控制器有着更好的动态性能和鲁棒性。     

一种五轴冗余工业机械臂运动分析及仿真

冗余机械臂凭借广泛的运动空间、较高的灵活度等优势得到了广泛的关注,但其逆运动学求解复杂,计算量大。针对此问题,以某五轴冗余工业机械臂为例,根据D-H约定建立正运动模型,结合实际情况确定关节运动顺序,基于代数法建立逆运动求解模型,降低求解的复杂性,计算结果满足轨迹规划的要求。并基于关节空间采用五次多项式函数进行运动仿真验证,结果表明:各关节运行平稳,没有明显的突变点,满足机械臂的工作需求。     

基于关节优先级的冗余机械臂柔顺控制方法

针对冗余机械臂柔顺控制过程中某些关节运动可能超出安全范围导致安全事故的问题，提出一种基于关节优先级的冗余机械臂柔顺控制方法。此方法通过雅可比矩阵的加权广义逆矩阵与阻抗控制中机械臂的末端速度相结合，计算出关节角度增量，并对关节角度进行迭代更新。在机械臂运动过程中，为减小超限关节的角度增量，将相应关节设置较小的关节优先级，将超限关节角度变化保持在安全范围内。最后使用一种八自由度的冗余机械臂进行柔顺控制实验验证。结果表明：将相应关节设置较小优先级后，该关节角度增量减小，证明了该柔顺控制方法的可行性和有效性。     

机床进给系统滚珠丝杠轴向非线性振动分析

将机床进给系统滚珠丝杠简化为Timoshenko梁,对滚珠丝杠进行受力分析,建立滚珠丝杠的运动微分方程。采用假设模态法,对运动微分方程进行化简,得到丝杠轴向振动方程,轴向振动方程满足Duffing方程形式,轴向振动具有非线性特征。利用MATLAB对Duffing方程进行数值仿真,研究丝杠长度、激振力和阻尼系数对振动的影响,得到轴向振动的相轨迹图和截面,分析轴向振动的稳定性和周期性。相图极限环封闭,轴向振动具有两个中心型奇点分布在原点两侧,奇点对振动具有吸引作用,使系统轴向振动在奇点附近达到稳定状态,Poincare截面显示轴向振动出现混沌运动、拟周期运动或周期运动,奇点位置随振动系统参数变化,但分布情况不变化。周期性随着激振频率和阻尼系数的增大而增强。试验验证了机床滚珠丝杠进给系统轴向振动存在混沌运动。为滚珠丝杠进给系统的动态特性分析和结构参数优化提供了一定的理论基础。     

采用混合算法优化的3?P RRR并联冗余机械手驱动力矩研究

为了降低平面3-PRRR并联冗余机械手驱动力矩,提高机械手运动平台运动的稳定性,采用混合算法优化机械手运动参数,并对驱动力矩进行仿真验证。针对传统非冗余机械手驱动系统进行改进,给出了平面3-PRRR并联冗余机械手简图,设计了冗余机械手驱动系统,采用雅克比矩阵对冗余机械手运动平台运动轨迹进行转换,推导出冗余机械手3个分支闭环运动轨迹方程式。引用粒子群算法并进行改进,添加了遗传算法中交叉和变异操作,设计出了混合粒子群算法。采用混合算法优化冗余机械手运动参数,通过MATLAB软件对冗余机械手3个分支驱动力矩变化进行仿真,与优化前进行对比。结果显示:优化前,平面3-PRRR并联冗余机械手驱动力矩较大,整体波动幅度较大;优化后,平面3-PRRR并联冗余机械手驱动力矩较小,整体波动幅度较小。采用混合算法优化平面3-PRRR并联冗余机械手运动参数,可以降低机械手驱动力矩,减少冗余机械手运动系统能量消耗。     

基于优化位姿控制的并联液压机械手跟踪控制研究

针对二自由度并联液压机械手控制系统容易受到外界干扰问题,对机械手控制系统输出误差进行研究。结合机械手平面简图分析了并联液压机械手工作原理,推导出机械手运动学和动力学方程式。引用模糊PID控制系统,采用差分进化算法和前馈补偿方法对模糊PID控制系统进行优化,将优化后的控制系统通过MATLAB软件进行误差仿真,同时与模糊PID控制系统输出误差进行比较和分析。仿真误差显示：在无干扰环境中,优化前和优化后的二自由度并联液压机械手模糊PID控制系统,其运动位移和角位移输出误差差别不大,跟踪效果较好。在有干扰环境中,优化前二自由度并联液压机械手模糊PID控制系统,运动位移和角位移输出误差较大,而优化后二自由度并联液压机械手模糊PID控制系统,其运动位移和角位移输出误差较小。采用差分进化算法和前馈补偿控制方法,能够抑制外界信号波的干扰,提高二自由度并联液压机械手的跟踪精度,其控制效果较好     

啮合阻尼对人字齿行星齿轮传动系统均载特性影响分析

采用集中参数法建立人字齿行星齿轮传动系统纯扭转非线性动力学模型,考虑时变啮合刚度、齿侧间隙、综合传动误差等激励对振动特性的影响。采用Runge-Kutta法对系统动力学方程组进行数值迭代求解,获得系统的稳态响应。相图借助庞加莱截面技术、频谱分析等手段分析系统的非线性响应形态,研究啮合阻尼对系统动态特性的影响。结果表明：人字齿轮传动系统在多源激励因素作用下表现出丰富的非线性动力学特性;适当增大啮合阻尼,系统由混沌运动状态转化为周期运动状态,系统的振动减弱,稳定性增强。     

基于线性扩张状态观测器的机械臂变负载滑模控制

大型串联机械臂液压控制系统存在变负载及外干扰问题,机械臂不同工作姿态的等效质量会造成液压缸系统固有频率变化,影响系统动态特性,为此提出一种基于线性扩张状态观测器的滑动模态控制策略(LESOSMC)。以破拆机器人机械臂为研究对象,仿真试验结果表明:LESOSMC在机械臂处于不同姿态时,保持了很好的动态特性和稳态精度,对周期正弦信号也具有良好的跟踪性能。LESOSMC在机械臂变负载控制中具有良好的鲁棒性,满足重载液压机械臂关节位置控制的要求,为解决液压重载机械臂关节液压缸的位置控制提供了有效的工程方法。     

偏置式空间机械臂关节角参数化逆运动学求解

针对偏置式空间7自由度(DOF)冗余机械臂,提出了一种基于关节角参数化的运动学求解方法。根据空间机械臂的结构特点对其臂型进行了分析,采用D-H(Denavit-Hartenberg)法建立空间机械臂坐标系。采用D-H法对空间机械臂操作空间进行了描述,在考虑运动学约束的基础上,得到了以关节角为变量的正运动学模型。通过分析逆运动学模型的可解性,采用矩阵逆乘的解析法求解了该类机械臂逆运动学的完整解析解。在Matlab环境下,使用Matlab Robotic Tools对机械臂的初始姿态进行了仿真。通过给定的机械臂末端位姿,根据推导的逆运动学算法对空间机械臂各个关节的角度进行了求解。机器臂的运动学逆解算将作为机器臂运动规划和轨迹控制的基础。     

A hybrid CHAOS-PSO algorithm for dimensional synthesis of a redundant manipulator based on tracking trajectories without or with singularities

The paper presents a novel hybrid CHAOS-PSO algorithm for dimensional syntheses of redundant manipulators while not following common design principles of arm length or arm length ratio of a human in previous literatures. More specifically, we employ the clamping weighted least-norm (CWLN) method to solve inverse kinematics of the redundant manipulator tracking desired nonsingular or singular trajectories considering joint limits. Thus, an optimal solution of flexible D-H parameters of manipulator is explored in the search space based on evaluations by the defined fitness functions with the proposed algorithm. As an optimization tool in this work, the hybrid CHAOS-PSO algorithm incorporates chaos into the particle swarm optimization (PSO) algorithm as population initialization and global perturbation technique in order to enhance swarm diversity and escape from premature convergence. To demonstrate validity and practicability of the proposed algorithm compared to PSO, simulations of dimensional syntheses of a 7-degree-of-freedom (7-DOF) redundant manipulator with complex structures along the planed nonsingular or singular trajectories are performed.