柔索驱动并联机器人运动控制研究

针对柔索驱动并联机器人的工作特点,研究柔索驱动并联机器人的运动控制方法。通过对柔索驱动并联机器人系统动力学的强非线性、参数不确定性以及受到外界干扰等系统特性的分析,探讨了系统适用的控制策略。进一步,设计了一种将常规PI控制和Fuzzy控制相结合的Fuzzy-PI混合离散控制策略来实现柔索驱动并联机器人轨迹跟踪控制。这种控制策略不仅能发挥模糊控制鲁棒性强、动态响应快的特点,而且具有常规PI控制器的动态跟踪品质和稳态精度。在此基础上,为了进一步提高Fuzzy-PI混合离散控制系统的适应能力,设计了一种带有自调整因子的模糊控制规则。数值结果表明,在相同给定条件下Fuzzy-PI控制算法、常规模糊控制和离散非线性PID控制算法跟踪期望轨迹时,沿X方向、Y方向和Z方向的跟踪误差分别在 ±10cm、±7cm、±3cm,±15cm、±8cm、±5cm,±15cm、±9cm、±4cm的范围内。     

索支撑系统的动力学分析与跟踪控制

索牵引并联机器人中的柔索在做大范围运动的同时会伴随有低频振动.建立了此类柔索的动力学方程,得出柔索张力与索长之间的关系,在此基础上建立了索牵引并联机器人系统的较精确动力学模型.然后采用反馈线性化方法设计了轨迹跟踪的PID控制器,同时引入虚拟采样技术来弥补测量设备采样率较低的缺点.数值算例证明了所提方法的有效性.     

驱动链高速轴断裂所致FAST索牵引并联机器人的冲击振动仿真分析

介绍了FAST望远镜的巨型柔索牵引并联机器人的构型和工作方式。对FAST柔索牵引并联机器人的塔-索-舱柔性悬挂系统在某一套索驱动单元的电机高速轴发生断裂,卷筒上的低速轴安全制动器随即启动的极端工况所引发的卷筒溜索量和柔性悬挂系统的冲击振动力进行了有限元仿真分析;总的仿真分析可分为三步进行,即柔性悬挂系统的静力学找形分析、卷筒溜索量分析和基于溜索量-时程曲线的系统动力学仿真分析;与此同时,仿真中采用了模拟塔柔性的质量-弹簧振子模型、简化的安全制动器制动力时程曲线和模拟索驱动设备的绳索-质量滑块系统等简化模型。计算结果表明,因高速轴断裂引发的冲击造成了柔性悬挂系统的大幅震荡,需要在系统详细设计中认真考虑。     

基于索力优化的FAST柔索牵引并联机构的静力学分析

FAST望远镜的馈源支撑是一个跨度巨大的柔索牵引并联机构,其中可承载用于收集射电波信号的馈源接收机的馈源舱由六根并联的支撑钢索悬挂于空中,并随着6索的协调收/放可在空中大范围缓慢运动。由于支撑钢索的截面尺寸较大,在机构平衡状态下其自重不能忽略。其中一部分钢索还需要悬挂入舱的动力电缆和通讯光缆,因此馈源舱运动范围、馈源舱姿态、各索的张力和索的几何构形均存在着复杂的耦合关系。该文建立了支撑钢索和馈源舱的静力平衡方程,通过引入各索张力均衡分配的优化原则,对舱静力平衡方程进行了优化求解,并获得了各索张力和馈源舱姿态角在轨迹球冠面内的优化计算结果。从各索张力的优化计算结果可推导出各索张力的最大值、最小值和变化趋势。基于馈源舱姿态角的优化计算结果,并结合馈源接收机在焦点位置所必须达到的姿态角控制要求,估算了舱内的AB转轴机构所需要的最小姿态角补偿范围。该文最后分析了支撑塔高度和馈源舱的重心位置对于索张力和馈源舱姿态角在轨迹球冠面内的优化分布计算结果的影响。分析结果表明最大索张力对于支撑塔高度较为敏感且成反比,而舱姿态角对馈源舱的重心位置较为敏感。这两项重要参数均应在未来FAST的设计中进行优化。     

考虑柔索振动影响时索牵引并联机器人的动力学分析与控制

现有索牵引并联机器人研究中,大多没有考虑柔索振动对系统运行精度的影响。为此,本文提出了一种适用于慢速运动的索牵引并联机器人动力学模型,模型中将柔索的运动分解为稳态运动与小幅振动两部分。系统的期望运动可由柔索的稳态运动来实现,柔索偏离稳态位置的运动可由对应的小幅振动来描述。针对稳态运动和小幅振动分别设计了相应的控制器,稳态运动的控制器保证系统可按期望的轨迹运行,小幅振动的控制器则用来抑制柔索在运动过程中出现的振动,这种振动是不希望出现的。最后,给出了一个数值算例来验证本文动力学模型及控制算法的有效性。     

4-1型柔索驱动并联机器人稳定性度量及其灵敏度分析EI北大核心CSCD

4-1型柔索驱动并联机器人性能优越具有较好的应用潜力,但评价并保证机器人末端执行器的稳定性任务艰巨。为此,对4-1型柔索驱动并联机器人的稳定性度量方法进行研究,提出一种融合机器人末端执行器位置和约束力影响因子的稳定性度量方法及其指标;建立4-1型柔索驱动并联机器人稳定性灵敏度分析模型,探索并分析末端执行器位置和柔索驱动力等因素对机器人稳定性的影响程度,提出采用关联度研究和分析末端执行器位置及柔索驱动力等参数对机器人稳定性的影响程度。以4索驱动拣矸机器人为例,对所建立的稳定性度量模型及其敏感度分析模型进行仿真研究,得出了能够保证拣矸机器人末端抓斗满足预定稳定性要求的位置点集。稳定性敏感度研究结果表明:拣矸机器人稳定性对驱动力影响因素的敏感度较大,关联度为0.9387~0.9647;其次为位置影响因素,关联度为0.5439~0.7743。     

基于模糊PID对3-RPS并联机器人轨迹跟踪控制

并联机器人因具有刚度大、承载能力强、精度高等优点,被广泛应用于各个领域,但由于它是一个多输入多输出系统,存在严重的非线性性,因此对其进行控制研究显得尤为重要.通过设定3-RPS型并联机器人动平台的期望参考值,根据逆运动学,基于Matlab SimMechanics软件建模仿真求得各支路驱动副的期望位移.设计PID控制器、模糊PID控制器,对3-RPS型并联机器人进行轨迹跟踪控制仿真对比分析,结果表明:采用模糊PID控制可有效降低轨迹跟踪误差,提高系统的控制精度和稳定性.     

基于等效模型的索牵引并联机器人的刚度分析

现有索牵引并联机器人研究中,由于柔索长度较短大多将其处理成仅能受拉的直线索单元,没有考虑柔索垂度的影响,刚度分析过程与刚性支腿并联机器人相同.为考虑垂度影响,该文采用悬链线方程建立了大跨度柔索的静力学模型,推导出柔索的刚度矩阵.然后提出了一种刚度等效模型,将柔索等效为三根两两相互垂直的弹簧.于是便可将索牵引并联机器人等...     

大型射电望远镜悬挂馈源舱体结构的振动控制

将结构被动控制技术推广应用于射电天文领域，提出拉索－吊重振动控制方案，控制新一代大型射电望远镜悬挂馈源舱结构的风险振响应，首先，由非线性静力分析确定结构初始静态参考位形和初应力。其次，针对结构特点模拟作用在悬索和馈源舱上的随机风荷，在上述模型的基础上，在时域中模拟分析稳定索系对结构风振的抑制效果，同时，通过典型节点时域响应的FFT变化，绘出响应自动功率谱，进一步描述了振动控制的效果。     

一种缓慢运动索牵引并联机器人的跟踪控制

缓慢运动的索牵引并联机器人中,牵引索在做大范围运动的同时会伴随有低频振动,建立了这种柔索的动力学模型,得到柔索的长度、张力与振动位移之间的关系.针对执行机构产生的索长收放误差,提出一种控制策略,利用机器人终端的位姿和柔索张力的反馈结果由柔索动力学模型得到索长误差,经NPID控制器调整后完成索长修正.数值算例证明了该方法的有效性.     

40米口径射电望远镜索支撑系统误差分析与补偿

主要研究了40米口径射电望远镜索支撑系统的误差分析与补偿问题,提出了一种基于索直线模型弹性变形的实时误差补偿方法。在索支撑系统运动学和静力学分析的基础上,建立了兼顾索弹性变形的误差模型,分析了索弹性变形对馈源跟踪精度的影响情况。针对天文规划给定的两条典型路径,根据索弹性变形量和实时控制要求,提出了一种基于索弹性变形的大跨度索支撑系统误差补偿方法,该方法不需要迭代,计算量小。仿真结果表明,该误差补偿方法提高了索支撑系统跟踪精度,同时满足射电望远镜的观测要求。     

配有索系控制结构的大型射电望远镜悬索平衡张力的优化

在新一代大型射电望远镜(LT)的悬索舱体系统中增加了抑制风激振动的结构控制索系。基于系统的非线性静平衡方程,通过最小二乘运算和优化策略,获得了适于伺服电机控制的索系平衡张力。分析结果为进一步得到各索杆单元的静应力,构造结构平衡时的非线性几何刚度矩阵,分析在静平衡初始条件下,结构控制索系对系统风振的抑制效果奠定了基础。     

A novel six degrees-of-freedom parallel manipulator for aircraft fuselage assemble and its trajectory planning

Parallel manipulators have been successfully used for pose adjustment. However, aircraft fuselages are heavy and have complex shapes, so the existing parallel manipulators are not suitable for aircraft fuselages. For the first time, this paper presents a novel six degrees of freedom parallel manipulator for aircraft fuselages. Compared with other parallel manipulators, the presented parallel manipulator is suitable for large round parts. The Jacobi matrix of the presented parallel manipulator is derived, which is expressed by roll, pitch, and yaw. Using the derived Jacobi matrix, inverse kinematics of the presented parallel manipulator is investigated systemically. Combining Newton’s second law with Euler equations, dynamic equations of the manipulator are derived. Using the derived dynamic equations, inverse dynamics of the manipulator are also investigated systemically. For improving safety and efficiency of fuselage pose adjustment, a new trajectory planning algorithm is proposed which is based on the minimum mean force. Simulation experiment results demonstrated the ability of the trajectory planning algorithm to achieve stable movement comparable to the time-optimal trajectory planning algorithm. At the conclusion of this paper, practical applications of the presented parallel manipulator are shown.     

核电站检修主从式水下作业机械手研究

研制了适用于核电站反应堆和乏燃料水池水下作业的六自由度同构型主从式水下机械手。建立了从机械手水动力学模型,针对主从式机械手具有的强非线性,设计了一种基于模糊PID控制的主从控制器。采用ds PACE半物理仿真平台,搭建了主从式机械手两关节测试系统,验证了主从实时跟随性,为水下作业机械手整机控制奠定基础。实验结果表明主从手关节角度跟随性好,主从手末端位置跟随过程形成的轨迹形状基本一致,大小成比例,证明模糊PID控制器能较好地实现主从轨迹跟随,满足位置伺服精度要求。     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的分块神经网络控制及柔性振动模糊控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,漂浮基柔性空间机械臂关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。据此,设计了柔性空间机械臂系统载体姿态及机械臂关节铰协调运动的组合控制器。针对慢变子系统——柔性空间机械臂的刚性运动,设计了分块神经网络控制器,以完成系统参数未知情况下关节空间协调运动的轨迹跟踪;而对于快变子系统——柔性臂的振动,则设计了模糊控制器来主动抑制柔性杆的振动。数值仿真证实了提出方法的有效性。     

柔性冗余度机器人残余振动主动控制

研究柔性冗余度机器人的残余振动主动控制问题，设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏杆件，建立了受控系统的状态空间表达式，采用独立模态空间控制理论设计LQR状态反馈控制器，并基于对偶原理设计了具有指定收敛特性的Luenberger全维状态观测器，最后，以平面3R柔性冗余度机器人为例进行了计算机仿真，结果表明，采用这种主动控制方法可以显著改善柔性冗余度机器人的动力学品质。     

Design, analysis and fabrication of a novel three degrees of freedom parallel robotic manipulator with decoupled motions

Most of the existing parallel robotic manipulators have coupled motion between the position and orientation of the end-effector. The complexity of the multi-axial manipulation produces the difficulty to control. This research deals with a lower mobility parallel manipulator with fully decoupled motions. The proposed parallel manipulator has three degrees of freedom and can be utilized for parts assembly and light machining tasks that require large workspace, high dexterity, high loading capacity, and considerable stiffness. The manipulator consists of a moving platform that is connected to a fixed base by three pairwise orthogonal legs which are comprised of one cylinder, one revolute and one universal joint respectively. The mobility of the manipulator and structure of the inactive joint are analyzed. Kinematics of the manipulator including inverse and forward kinematics, velocity equation, kinematic singularities, and stiffness are studied. The workspace of the parallel manipulator is examined. A design optimization is conducted with the prescribed workspace. It has been found that due to the special arrangement of the legs and joints, this parallel manipulator possesses fully isotropic. This advantage has great potential for machine tools and coordinate measuring machine. The experiment on the prototype verifies its feasibility as a portable parallel robotic machine tool.     

大射电望远镜馈源指向系统轨迹跟踪免疫PID控制

新一代大射电望远镜（LT）馈源指向跟踪系统具有变结构、非线性、慢时变、大滞后、强耦合、多输入多输出的特点,根据生物免疫系统反馈机理,在分析了常规PID控制和模糊控制算法的基础上,提出了用模糊控制器自动调整免疫系统反馈规律的免疫PID控制器来实现馈源轨迹跟踪的策略。对LT馈源指向跟踪系统的数值仿真实验结果表明,当存在外界随机扰动时该控制算法不仅能满足对馈源轨迹跟踪精度的要求,而且控制系统具有较强的鲁棒性。