基于SimMechanics的高速3-RRR并联机构动力学分析与控制

为了满足3-RRR并联机构在工业应用中高速操作,研究其在高速运动中的动力学行为和控制。采用SimMechanics建立3-RRR并联机构的动力学模型,基于该模型对其进行动力学分析。分析结果表明,速度越大,驱动力矩也越大;机构高速运行过程中驱动力矩变化大,且在某些时刻产生突变致使机构产生较大冲击。为了实现高速运动跟踪控制,利用PID控制的鲁棒性,设计PID控制器。仿真结果表明,动平台能较好地实现期望的轨迹,但在初始阶段,存在一定的跟踪误差。     

并联机构非线性PID自适应控制

并联机构的运动精度在很大程度上取决于动力学模型的准确程度和机构工作中的外部扰动,实际应用中,往往因为不能准确的预知机构动力学参数,在建模时势必存在未建模环节,在机构高速运行时,这些未建模环节的动态特性可能对系统产生很大的影响.为了改善机构的动态性能,在机构系统存在未知参数的情况下,利用系统实际运动对目标运动的跟踪误差构造自适应控制律,得到了未知参数的在线预估值及机构输入的控制律,使机构对目标运动具有较高的跟踪精度.     

宏微并联机器人系统自适应交互PID监督控制

500m口径球面射电望远镜(Five hundred meter aperture spherical radio telescope,FAST)的馈源支撑与指向跟踪机构由宏微并联机器人系统构成,大跨度柔索驱动的宏并联机器人保证系统的大工作空间,精密电动缸驱动的Stewart平台作为微并联机器人保证系统的末端精度并扩展其伺服带宽。为了降低宏并联机器人的柔性对末端定位精度的影响,提出基于并联机构学原理的三维机动目标解耦跟踪预测算法,对馈源舱的运动进行跟踪预测。引入自适应交互算法解决PID参数的实时调整,设计自适应交互PID监督控制器,根据馈源舱的预测运动和馈源平台的目标轨迹产生电动缸规划级控制量。此外,在电动缸执行级采用带前馈的数字伺服滤波器实现电动缸的高精度轨迹跟踪。FAST50m缩尺模型试验表明,结合解耦预测算法对馈源舱的运动预测,自适应交互PID监督控制器效果良好,能够确保宏微并联机器人系统在以期望的跟踪速度运行时,获得完全满足控制要求的定位精度和指向精度。     

4-SPS(PS)并联机构模糊自适应滑模控制系统设计

针对并联机构传统控制方式轨迹跟踪精度误差较大的缺陷,提出了一种基于4-SPS(PS)并联机构的动力学方程和模糊自适应(Fuzzy-Adaptive SMC)滑模控制器的控制系统。首先,基于螺旋理论及反螺旋理论,设计了一种4-SPS(PS)并联机构,并采用微运动法(Micro-Motion Method)对机构的运动学方程进行了探讨。其次,基于机构的动力学方程,结合模糊自适应算法,设计了一种新型滑模控制器(SMC),模糊自适应算法的作用是实时地修正系统的不确定和非线性项参数,有效抑制了SMC系统的抖振现象。最后,建立了机构的系统仿真框图和实验平台,分别对机构进行仿真分析和实验研究。结果表明:模糊自适应滑模变结构控制器的轨迹跟踪精度高,鲁棒性强,稳态误差小,从而验证了该新型SMC控制器的有效性。     

平面并联机构的自适应控制方法研究

针对并联机构的动力学模型有很强的非线性,模型参数不易获得,基于运动学的控制或PID闭环控制方法适应性差、精度低的不足,提出了一种以计算力矩结构为基础的改进的自适应控制方法,利用驱动铰的理想值进行逆动力学计算,在驱动空间上计算反馈力矩。在分析一个平面冗余链并联机构的动力学模型后,给出了几种算法的对比实验结果,实验结果表明,所提出方法能获得更小的跟踪误差,具有更好的适应性。     

电液位置伺服系统自适应反演滑模控制

在六自由度并联运动平台运动控制中，可转化为对各个支链的运动控制，每条支链采用电液伺服运动系统。针对并联运动平台支链位置控制中存在的抗干扰和控制精度问题，提出了一种基于自适应反演滑模控制算法。该算法利用自适应控制策略，以此对系统的建模误差和外加干扰等不确定性进行估计，再结合反演滑模控制算法设计平台支链位置控制器，解决并联运动平台位置精确控制问题。仿真结果和试验表明，该控制策略能够很好的实现支链电液伺服运动快速、稳定、高精度位置控制，并对系统的外加干扰具有很强的鲁棒性和自适应性。     

6-DOF双并联力觉交互系统设计及实验验证

研制了一种新型双并联力觉接口,采用改进Delta并联机构与3-RRR球面并联机构具有运动学解耦特性,使该构型在保证运动空间的同时消除了运动奇异点.建立了力觉接口的控制系统,提出了带有速度前馈的PI自适应稳定交互算法,实现了对于理想力信号的快速跟踪及扰动抑制.通过跟踪长方体表面及虚拟销孔装配作业实验,验证了新型力觉接口及其力觉交互系统的性能.     

采用混合算法优化的并联机械臂能量消耗与误差仿真研究

针对并联机械臂存在能量消耗严重、运动轨迹跟踪精度较低等问题,采用了混合算法优化并联机械臂运动机构,并对优化结果进行仿真验证.建立并联机械臂运动机构简图模型,推导齐次变换矩阵运动方程式,给出并联机械臂8种运动模式.确定并联机械臂运动的设计变量,构造能量消耗优化目标函数,在约束条件下,采用混合算法优化目标函数.用PID控制方法,在运动模式1状态下,通过Matlab软件将优化结果进行仿真验证.同时,与优化前的仿真结果进行对比和分析.仿真结果表明,优化后主动连杆消耗的能量较少,被动连杆运动轨迹跟踪所产生的误差较小.并联机械臂采用混合算法优化后,能够减少并联机械臂运动机构能量消耗,提高运动轨迹的追踪精度.     

自适应同步控制策略在3-PRR平面并联机构中的应用

本文以三自由度P—R—R型平面并联机构为研究对象,建立系统的动力学模型,结合同步控制和自适应控制两种控制方法的优缺点,提出了一种新颖的控制方法,称为自适应同步控制,用来提高并联机构不确定参数的跟踪精度。通过用自适应同步控制策略对被控对象进行控制仿真,其结果表明,自适应同步控制方法的跟踪效果好,精度高,系统误差小,可以满足并联机构控制的要求,能够解决机构的轨迹跟踪问题,证实了自适应同步控制策略的正确性和有效性。     

基于气动伺服控制的虚拟现实运动模拟研究

提出了气动3-RPS并联平台应用于虚拟现实环境下运动模拟的解决方案。压缩空气和气动执行器作为一种廉价的驱动方式，但气动系统的强非线性、负载敏感、未知参数和死区等特性限制了运动模拟的精确度和逼真程度。从并联气动平台运动学动力学着手，基于光流图像处理技术生成关节空间的目标运动曲线，采用自适应鲁棒控制方法对气动并联运动平台进行实时轨迹跟踪的解决方案，相对传统算法，轨迹跟踪性能有了大幅提升。     

Collision-free control of mobile manipulators in a task space

This work offers the solution at the control feed-back level of the end-effector trajectory tracking problem for mobile manipulators subject to state equality and/or inequality constraints, suitably transformed into control dependent ones. Based on the Lyapunov stability theory, a class of controllers fulfilling the above constraints and generating a collision-free mobile manipulator trajectory with (instantaneous) minimal energy, is proposed. The problem of collision avoidance is solved here based on an exterior penalty function approach which results in continuous and bounded mobile manipulator controls even near boundaries of obstacles. The numerical simulation results carried out for a mobile manipulator consisting of a non-holonomic unicycle and a holonomic manipulator of two revolute kinematic pairs, operating both in a two-dimensional unconstrained task space and task space including the obstacles, illustrate the performance of the proposed controllers.     

气动肌肉并联关节的位姿轨迹跟踪控制

针对多输入多输出的气动肌肉并联关节,建立包含任务空间负载动态方程、容腔压力动态方程和高速开关阀平均流量方程的多阶动态系统数学模型。为保证气动肌肉并联关节系统良好动态特性的同时具有高精度的位姿轨迹跟踪,采用基于非连续投影算法的自适应鲁棒控制策略。该策略通过自适应参数估计来消除因气动肌肉并联关节系统动态数学模型的参数未知而引起的较大参数不确定,通过鲁棒反馈来消除因气动肌肉的伸缩力模型误差、摩擦力时变和关节系统的不可知干扰等引起的严重非线性不确定,且控制器基于反推设计,对多输入多输出的多阶耦合动态系统具有很好的适用性。试验结果表明：所研究的气动肌肉并联关节阶跃响应的静态误差小于0.09°,连续轨迹跟踪的标准误差小于0.15°,且具有较强的自适应性和鲁棒性。     

面向打磨机械臂的模糊自适应阻抗控制算法

为解决打磨机械臂在加工过程中轨迹移动和末端接触力的控制问题,讨论了一种自适应阻抗算法,能够实现力和位置的柔顺控制,并保证系统的运动稳定。同时引入模糊控制理论,对阻抗参数进行实时调整。以简化模型二自由度机械臂为例进行仿真实验。仿真结果表明,模糊自适应阻抗算法能够较为准确地控制机械臂末端的接触力,降低系统的超调,改善实时性,可以提高打磨机械臂的工作效率,在一定程度上满足打磨的精度要求。     

三自由度并联机器人操作平台的主运动螺旋研究

讨论三自由度并联机器人的操作平台的瞬时螺旋的确定方法,根据平面表示的空间运动螺旋的几何特性,提出基于二阶曲线分解理论的操作器运动螺旋系主螺旋的识别的解析方法,为自由度少于６的并联机构的运动特性及其操作器运动螺旋系的研究提供了必要的理论基础。     

PARAMETRIC IDENTIFICATION OF PARALLEL MANIPULATOR WITH REDUNDANCY DRIVEN BY PNEUMATIC MUSCLES

A new parameter estimation algorithm is proposed for parametric identification of a parallel manipulator driven by pneumatic muscles with redundancy. Due to the special physical properties of the parallel manipulator studied, the regression model for parametric identification is characterized by multieollinearity, which will result in unreliable and inaccurate parameter estimations with large eovarianee if the conventional parameter estimation algorithm based on single error minimizing criterion is used. To improve the quality of parameter estimation and achieve high precise posture trajectory tracking control of the parallel manipulator, a new parameter estimation algorithm based on composite error minimizing criterion is developed in need of theoretical contractive forces of pneumatic muscles. The experimental results indicate that the proposed algorithm integrated with adaptive robust control could provide reliable parametric identification and greatly enhance the control accuracy in the trajectory tracking control of the parallel manipulator, and that the variation of known theoretical contractive forces of pneumatic muscles has slight influence on the control performance.     

Tracking control of a three-wheeled omnidirectional mobile manipulator system with disturbance and friction

This paper proposes a tracking control method for a three-wheeled omnidirectional manipulator system (OMMS) with disturbance and friction. The OMMS is separated into two subsystems, a three-wheeled omnidirectional mobile platform (OMP) and a selective compliant articulated robot for assembly (SCARA) type of manipulator. Therefore, two controllers are designed to control the OMP and the manipulator system. Firstly, based on a kinematic modeling of the manipulator, a kinematic controller (KC), combined with an integral sliding mode controller (ISMC), is designed for the end-effector of the manipulator to track a desired trajectory with the desired angular velocity vector of links. Secondly, a differential sliding mode controller (DSMC) based on a dynamic modeling of the OMP with force external disturbances is proposed to obtain control inputs moving the OMP so that the manipulator tracks the desired posture without singularity. The system stability is proven using Lyapunov stability theory. The simulation and experimental results are presented to illustrate the effectiveness of the proposed controllers in the presence of disturbance and friction.     

柔性机器人躲避振动的一种方法

对于柔性机器人而言 ,系统柔性所引起的振动使得机器人很难准确地跟踪预定的末端轨迹 ,因此如何有效地减小柔性机器人的振动是一个非常重要的研究课题。本文对柔性机器人躲避振动的方法进行了研究。首先分析了影响柔性机器人末端振动变形的因素 ,在此基础上得出了在结构参数和末端运动轨迹不变的情况下 ,通过适当调整关节运动参数可以使柔性机器人有效躲避振动的结论 ;然后研究了机器人末端运动参数与关节运动参数之间的关系 ,提出了通过规划机器人末端运动参数从而调整关节运动参数 ,以使机器人能够有效躲避和减小柔性振动的方法 ,并且给出了相应的算法 ;最后通过数值仿真验证了该方法的有效性     

空间机械臂姿态及关节运动的自适应与鲁棒控制

讨论了载体位置不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题。借助于增广变量法,恰当地扩展系统的控制输入与输出,克服了漂浮基空间机械臂系统控制方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点,保持了系统控制方程关于惯性参数的线性函数关系。以此为基础,针对末端抓手持有载荷参数未知与不确定两种情况,设计了载体姿态与机械臂关节协调运动的自适应控制与鲁棒控制两种方案。仿真运算证实了上述控制方案的有效性。     

漂浮基空间机器人协调运动的自适应控制与鲁棒控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制的漂浮基空间机器人协调运动的控制问题。借助于虚拟扩展系统的控制输入与输出 ,克服了漂浮基空间机器人系统控制方程关于惯性参数呈非线性函数关系的难点 ,保持了控制方程关于惯性参数的线性函数关系。以此为基础 ,针对末端抓手所持载荷参数是未知及不确定的两种情况 ,分别设计了载体姿态及末端抓手惯性空间轨迹协调运动的自适应控制方案与鲁棒控制方案。仿真运算证实了上述控制方案的有效性