基于一致性理论的多臂航天器协同控制方法

针对空间中自由漂浮多臂航天器的多臂协同问题,提出一种基于一致性理论的协同控制方法,采用有向通信拓扑与广义雅克比矩阵结合的方式,实现自由漂浮航天器多机械臂间的协同.首先,建立多机械臂间的通信关系有向图,确定“领导-跟随”体系下的主臂与从臂;其次,基于有向通信拓扑,进行主从臂末端运动规划,实现主臂运动向从臂的传递;再次,利用广义雅克比矩阵在动量守恒条件下进行末端运动向关节运动的映射,并基于一致性理论设计关节空间内的多臂协同运动控制器;最后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明控制器的稳定性,并分析位置控制误差.仿真结果表明,所提出的控制方法可以实现多臂航天器系统空间操控任务中各机械臂的聚集、跟踪与位置协同.     

基于FuzzyP的多臂机器人机械臂控制系统设计

机械臂是多臂机器人的重要组成部分,针对基于姿态识别控制及位置识别控制系统受到被控量振荡影响,而导致机械臂运动轨迹控制不精准的问题,提出了基于FuzzyP的多臂机器人机械臂控制系统设计;基于FuzzyP控制系统,找到系统控制平衡点,设计系统硬件结构包含3个机械臂,共十八个自由度,简化关节控制器连线,选择直流有刷电机,采用增量型编码器,设计H桥电路,配合74ACT244增强驱动电路,利用NRF24L01无线模块获取与处理位置信息;使用FuzzyP控制器,抑制被控量振荡,控制连杆运动,完成多臂机器人机械臂控制方案设计;由实验结果可知,该系统轨迹与预期轨迹基本一致,较好解决多臂机器人机械臂对接精确定位要求。     

时滞柔性关节机械臂自适应位置/力控制

针对具有时滞的柔性关节机械臂自适应位置和力控制问题进行了研究.首先,通过坐标变换得出降维的位置/力控制模型.随后,将时间滞后近似表示成一阶滞后,进行时滞补偿.利用自适应算法修正机械臂系统参数,克服模型参数不确定性对系统的影响.同时,采用反步控制技术设计机械臂位置/力控制器,运用Lyapunov稳定性定理证明控制器能使机械臂位置和力跟踪误差收敛.最后的仿真研究验证了控制方案的有效性.     

大型挠性空间机械臂振动抑制的一种关节控制策略

大型空间机械臂在操作过程中,一个突出的问题是超低频挠性,不仅存在机械臂的弯曲振动,而且还存在关节的扭转变形振动;另外一个不能忽视的问题就是减速器的扭矩传递特性,以及机械臂关节运动与基座扰动（空间站）之问的耦合特性,这就要求根据关节结构和传感器配置实现关节位置控制,同时稳定和衰减机械臂及其关节的低频挠性振动．本文运用集中参数法对空间机械臂的挠性动力学进行建模,设计了工程可实现的单个关节控制策略及其控制律,分析和数值仿真了其稳定性,对未来空间站的大型挠性空间机械臂设计、动力学与控制的研究具有一定的参考价值．     

蒸汽发生器检修机械臂监控软件设计

为实现对蒸汽发生器检修机械臂的远程控制和操作模拟与训练,设计了一套上位机监控软件.在VC 平台下,利用OpenGL和3DMAX建立了机械臂、蒸汽发生器水室和检修工具模型;设计了监控软件与六个关节控制器CAN通讯算法,实现了六个关节的协调控制;设计了轨迹规划算法和避碰监测算法,实现了机械臂的无碰撞运动;设计了机械臂单关节的重力矩补偿,提高了关节的控制精度.实际工作验证了监控软件的有效性,利用软件可实现对机械臂的远程控制,完成蒸汽发生器的检修任务.并可用于对操作人员的模拟训练.     

基于关节位置约束的仓储运输机械臂分拣控制

仓储运输机械臂分拣配送路径较为复杂，节点配送模式选择难度较大，难以保证分拣的准确性，为此提出了基于关节位置约束的仓储运输机械臂分拣控制方法。建立各机械连杆坐标系，采用PD控制器负反馈机制，优化操纵任意矢量。通过服务定位协议和射频标识技术构建包裹出库量的时间序列模型，计算仓库系统各功能模块模糊增益，获得包裹分拣的出库数据序列，明确节点配送模式。把关节位置约束问题转换为关节速度约束，将关节速度进行非齐次空间映射，调节关节的位移与权值，完成对关节位置约束校正，实现运输分拣控制。通过实验证明所提方法能够较好实现控制分拣，减少机械臂晃动，保证分拣的准确性。     

卫星天线展开臂的随动吊挂重力补偿系统设计

为了给卫星天线展开臂的展开特性测试提供真实的零重力地面仿真环境,设计了卫星天线随动吊挂重力补偿系统.首先设计了与卫星天线展开臂结构相同的3轴随动吊挂机械臂,对卫星天线展开臂进行位置跟随,并通过有限元方法分析其受载时的位置精度;然后根据导纳控制方法设计出随动机械臂的力跟随控制器,采用基于位置内环的PD （比例-微分）力控制策略设计出拉力系统对吊索拉力的控制算法;最后通过实验考核了随动吊挂机械臂各关节对在轨运行模式下的天线展开臂相应关节的位置跟随性能和重力平衡补偿.实验结果表明各轴位置跟随误差均不超过±0.03°,稳定运行时吊索张力控制偏差均小于1.2% F.S.（全量程）,在天线展开机械臂的展开过程中实现了较高精度的位置跟随和重力补偿,满足天线展开测试要求.     

基于细菌觅食算法的嵌入式机械臂角度控制器设计

进行机械臂角度控制器设计过程中,为提高机器人机械臂灵活性,降低关节角度控制误差,设计一种细菌觅食算法的嵌入式机械臂角度控制器。首先,构建机械臂动力学模型以获取机械臂的柔性特征及其关节位置,根据获取的信息确定角度控制器的硬件逻辑结构和算法。然后,使用ARM微处理器嵌入式操作系统,设计包含移动控制终端和机械臂控制端的控制器硬件结构。最后,采用细菌觅食算法优化控制器参数,并实现代码完成机器人机械臂角度的精准跟踪控制。仿真分析结果表明:所提方法具有较高的位姿跟踪精度、角度控制误差小、稳定性强,能够保证机械臂关节角度无超调,具有极高的机器工程应用价值。     

在人机协作中基于动量观测和优化算法的全机械臂单点接触信息实时估计

针对协作型机器人,提出了一种依据机器人控制与运动状态信息,基于动量观测与优化算法相结合的全机械臂单点接触信息实时估计方法.该方法将接触位置估计问题转化为优化算法有界搜索问题,搜索范围由动量观测方法确定的接触臂长度确定,两种方法的结合保证了估计的精度和实时性.基于UR机械臂实验平台的仿真与实验结果表明,本文方法能够实时、准确地估计除第1关节以外首次发生接触的机械臂任意位置处的力和位置信息.本研究可以在不借助传感器的情况下实现机械臂对外力的感知.     

六自由度机械臂约束预测控制系统的设计

本文提出了一种基于约束预测控制的机械臂实时运动控制方法.该控制方法分为两层,分别设计了约束预测控制器和跟踪控制器.其中,约束预测控制器在考虑系统物理约束的条件下,在线为跟踪控制器生成参考轨迹;跟踪控制器采用最优反馈控制律,使机械臂沿参考轨迹运动.为了简化控制器的设计和在线求解,本文采用输入输出线性化的方式简化机械臂动力学模型.同时,为了克服扰动,在约束预测控制器中引入前馈策略,提出了带前馈一反馈控制结构的预测控制设计.因此,本文设计的控制器可以使机械臂在满足物理约束的条件下快速稳定地跟踪到目标位置.通过在PUMA560机理模型上进行仿真实验,验证了预测控制算法的可行性和有效性.     

Aerial cooperative transporting and assembling control using multiple quadrotor–manipulator systems

In this paper, a fully distributed control scheme for aerial cooperative transporting and assembling is proposed using multiple quadrotor–manipulator systems with each quadrotor equipped with a robotic manipulator. First, the kinematic and dynamic models of a quadrotor with multi-Degree of Freedom (DOF) robotic manipulator are established together using Euler–Lagrange equations. Based on the aggregated dynamic model, the control scheme consisting of position controller, attitude controller and manipulator controller is presented. Regarding cooperative transporting and assembling, multiple quadrotor–manipulator systems should be able to form a desired formation without collision among quadrotors from any initial position. The desired formation is achieved by the distributed position controller and attitude controller, while the collision avoidance is guaranteed by an artificial potential function method. Then, the transporting and assembling tasks request the manipulators to reach the desired angles cooperatively, which is achieved by the distributed manipulator controller. The overall stability of the closed-loop system is proven by a Lyapunov method and Matrosov's theorem. In the end, the proposed control scheme is simplified for the real application and then validated by two formation flying missions of four quadrotors with 2-DOF manipulators.     

PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation

This paper presents a PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation. The main idea is to use a fuzzy adaptive controller to compensate for the gravity term of the robotic manipulator. This controller is designed by using Lyapunov's stability theorem, which guarantees system stability. Simulation is implemented on a two‐link manipulator by using MATALAB and SIMULINK. The results show that this fuzzy adaptive controller makes the manipulator trajectory converge to a desired position. Compared with other proposed fuzzy adaptive manipulator controllers, the PD manipulator controller with fuzzy adaptive gravity compensation is conceptually and structurally simpler and guarantees zero position error. ©2000 John Wiley & Sons, Inc.     

Continuous shape-grinding experiment based on model-independent force/position hybrid control method with on-line spline approximation

Based on the analysis of interaction between manipulator’s hand and working object, a model representing the constrained dynamics of robot is first discussed. The constraint forces are expressed by algebraic function of states, input generalized forces, and constraint condition, and then a decoupling control method of force and position of manipulator’s hand tip is proposed. In order to give the grinding system the ability to adapt to any object shape being changed by the grinding, estimating function of the constraint condition in real time for the adaptive force/position control was added, which is indispensable for the proposed method without using force sensor. This paper explores whether the performance of the proposed controller is independent of alloy work-piece models or not. The experimental result is shown to verify the feature of the decoupling control of force and position of the tip.     

柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模

柔性关节柔性连杆机械臂是典型的非线性、强耦合、欠驱动系统,其控制难度高.对于这类系统,选择合适的动力学模型进行控制器设计对于提高控制性能是非常有帮助的.为此,研究了具有柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模问题,并提出了一种改进的建模方法.在该方法中,连接柔性连杆的柔性关节首先被简化为刚性关节和柔性连杆的弹性约束边界.然后,根据结构动力学理论、哈密顿原理和假设模态法建立系统的刚柔耦合动力学方程.相较于将柔性关节简化为刚性关节和扭簧的传统处理方式,所采用的简化方式一方面可以降低系统的自由度,另一方面可以得到更适合控制器设计的动力学模型.最后,通过数值仿真验证了本文方法的有效性和优势.     

Swing-up control strategies for a reaction wheel pendulum

Control of a reaction wheel pendulum, a prototype of an under-actuated system, is easily done using switching control strategies, which combines swing-up control and balancing control schemes. In this article, two novel swing-up control strategies for a reaction wheel pendulum have been proposed. The first swing-up control strategy treats the oscillations of the pendulum as perturbations from the bottom equilibrium point. The second swing-up control is based on interconnection and damping assignment-passivity based control (IDA-PBC). IDA-PBC preserves Euler Lagrangian structure of the system and gives more physical insight about any mechanical system. Any balancing controller can be coupled with the proposed swing-up control strategies to stabilise the pendulum at the top unstable equilibrium position. The control task of balancing the pendulum in top upright position is completed by switching from swing-up scheme to the balancing scheme at the point where the pendulum is very near to the top equilibrium point. Proposed swing-up control strategies have been implemented in real time in switching mode. The two proposed swing-up control schemes provide fast responses as compared to existing energy based schemes.     

基于Matlab机械臂力控系统仿真研究

以位置控制为主的机械臂控制方法已不能满足某些复杂环境（装配、抛光、去毛刺）的应用要求,控制机械臂与环境间的接触力已成为机器人学研究的一个热点。提出一种在Matlab/SimMechanics环境下平面二自由度机械臂力控制的仿真研究方法。在平面中模拟机械臂与环境的接触面,设计振荡抑制控制器,实现机械臂与环境间接触力的控制,以及机械臂与刚性环境碰撞接触过程中冲击振荡阶段的振荡抑制,生成机械臂期望的运动轨迹。仿真结果表明,该方法可实现特定作业下机械臂与环境间接触力的控制。     

Dynamic modelling, simulation and control of a manipulator with flexible links and joints

The paper presents a dynamic modelling technique for a manipulator with multiple flexible links and flexible joints, based on a combined Euler–Lagrange formulation and assumed modes method. The resulting generalised model is validated through computer simulations by considering a simplified case study of a two-link flexible manipulator with joint elasticity. Controlling such a manipulator is more complex than controlling one with rigid joints because only a single actuation signal can be applied at each joint and this has to control the flexure of both the joint itself and the link attached to it. To resolve the control complexities associated with such an under-actuated flexible link/flexible joint manipulator, a singularly perturbed model has been formulated and used to design a reduced-order controller. This is shown to stabilise the link and joint vibrations effectively while maintaining good tracking performance.     

一种基于行为控制的两自由度机械臂智能控制器

基于行为的控制方法相对于传统的控制方法在解决未知环境中的机器人中有着更好的鲁棒性和实时性.本文提出了一种基于反应式行为控制的智能控制器,以强化学习作为智能控制器的学习算法.通过采用评价-控制模型,该智能控制器能够不依赖于系统模型,通过连续地在线学习得到机器人的行为.将该智能控制器应用到两自由度仿真机械臂的控制中,仿真结果表明该智能控制器可以实现对两自由度机械臂的连续控制,使其能够迅速达到目标位置.     

不对称欠驱动水面机器人事件触发全局渐近镇定控制

本文研究了不对称欠驱动水面机器人事件触发全局渐近镇定控制问题.首先,引入坐标变换将系统全局渐近镇定控制问题转化为变换后模型欠驱动子系统的全局渐近镇定控制问题,利用周期时间函数构造时变辅助变量提出了一种时变连续的镇定控制律,并结合切换门限事件触发机制设计实际的事件触发推力与力矩控制输入使闭环系统全局渐近稳定.所提出的方法...     

基于模型降阶的平面三连杆欠驱动机械系统位置控制

针对第一关节为被动的平面三连杆欠驱动机械系统,提出一种基于模型降阶的位置控制方法. 首先,建立平面三连杆欠驱动系统数学模型,并分析其积分特性;其次,将部分可积的三连杆系统分段降阶为两个完全可积的两连杆子系统,并基于两子系统获得系统驱动杆与欠驱动杆之间的状态约束关系;然后,利用粒子群优化算法,根据系统末端点目标位置计算驱动杆目标角度;最后,分别设计两连杆子系统控制器,实现系统从任意初始位置到任意目标位置的控制目标. 仿真结果验证所提控制策略的有效性.