二元光学激光直写设备高精度传动系统的研究

要制作尺寸达200mm×200mm、最小线宽为1μm的二元光学元件,设备传动系统必须满足大行程、亚微米级定位精度 的需求。通过比较滚珠丝杠传动、直线电机传动及摩擦传动的优缺点,提出了采用滚珠丝杠驱动气体静压导轨实现粗定位、压 电陶瓷驱动柔性铰链实现精确定位、用高精度光栅尺实现闭环反馈控制的技术方案。对导轨刚度及固有频率、丝杠刚度及固 有频率、柔性铰链的转角刚度、光栅尺的反馈误差等影响系统精度的主要因素进行了分析。HP5528A双频激光干涉仪的检测 结果表明:传动系统位移灵敏度达到了0.03μm,定位精度小于0.20μm/100mm。     

带有反馈控制的柔性机械臂动态特性的理论和实验研究

将具有反馈控制的柔性臂边界条件视为铰支弹簧边界条件后,其等效弹簧刚度及等效阻尼系数为柔性臂反馈控制增益及其状态的函数。本文系统性地研究了反馈增益与柔性臂固有频率的变化规律,并通过一系列的实验结果对理论分析进行了验证。     

基于摩擦轮反馈的数字液压缸系统

提出了一种柔性闭环反馈式数字液压缸系统.该系统采用一种基于摩擦轮柔性连接方式进行反馈控制,通过步进脉冲信号驱动阀芯轴向移动,打开进出油口,推动活塞杆移动,并带动摩擦轮转动,通过与摩擦轮相连接锥齿轮传动将活塞杆运动传递给反馈螺母,进而控制阀芯反向移动,闭合进出油口.该系统通过阀芯的轴向移动距离来控制液压缸的输入流量及活塞...     

带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制的实验研究

为有效地抑制柔性机械臂的残余振动 ,提高其定位精度 ,本文提出了带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制 ,并进行了一系列系统的实验研究。首先将柔性机械臂的运动分成两个阶段 :第一阶段使其在控制力矩作用下做大角度刚体运动 ;第二阶段当柔性机械臂的运动临近终止状态时 ,通过逻辑开关 ,将柔性机械臂末端加速度反馈量接通 ,以产生抑制弹性振动的控制力矩 τ′0 ,实现终点定位的残余振动控制。然后进行了一系列的实验研究包括与传统的 PID控制和带有加速度反馈的全闭环反馈控制的比较 ,结果显示带有加速度反馈的柔性机械臂开关变结构控制能够实时、有效地抑制柔性臂的残余振动     

带有应变反馈的柔性机械臂开关变结构控制的实验研究

为实时,有效地抑制柔性机械臂的残余振动,提高春定位精度,提出了柔性机械臂的开关变结构控制,并进行了实验研究,将柔性机械臂的运动分成两个阶段：第一阶段使其在控制力矩作用下做大角度刚体运动;第二阶段当柔性机械臂的运动临近终止状态时,通过逻辑开关,将柔性梁应变反馈量接通,以产生控制力矩,实现残余振动抑制,与传统的PID控制和带有应变反馈的全闭环反馈控制的比较结果显示,开关变结构控制能够有效,实时地抑制柔性残余振动。     

果蔬采摘欠驱动机械手爪设计及其力控制

为了实现果蔬的无损采摘,采用欠驱动原理设计出一种结构更简单、通用性更强的末端执行器。欠驱动机构是指驱动器数目少于机构本身自由度数目的机构,基于欠驱动原理设计的机械手结构简单可靠,抓取物体时具有形状自适应能力,手指可完全包络物体,可以通过最大接触力的闭环力反馈控制来实现无损采摘。基于这一设计思想设计出仅靠一个电动机驱动三个手指的机械手爪,通过理论分析、手爪机构设计与建模、结构参数优化,确定设计尺寸制出机械手爪,设计控制电路结合力反馈控制进行抓取试验。试验结果表明该手爪能实现期望的抓取与最大接触力控制功能,并具有控制简单可靠、抓取稳定、不损伤果实等特点。     

多连杆柔性机械手末端位置的非线性预测控制

讨论了多连杆柔性机械手末端位置的控制问题。给出了一种非线性预测与刚性运动ＰＤ 反馈相结合的混合控制器,该方法可避免逆动力学反馈控制遇到的零动力学不稳定问题,稳定性分析表明,单纯非线性预测控制和ＰＤ 控制都不易保证闭环系统的稳定性,而两种方法的混合控制可保证闭环系统的稳定性。通过一个双连杆柔性机械手的仿真表明,本文提出的控制方法可实现多连杆柔性机械手末端轨迹的准确跟踪,并能消除柔性机械手的弹性震动。     

基于差动轮系的变刚度执行器及变刚度柔性手爪

结合差动轮系和杠杆原理设计了一种调刚范围从0～+∞的变刚度执行器,并完成了其结构优化设计和调刚能耗优化设计。该变刚度执行器具有变刚度范围大,调刚能耗需求低,占用空间小,易控制,响应速度快,可靠性强,技术实现可行性高等优点,具有一定的实际应用意义。在此基础上设计了一款欠驱动变刚度柔性手爪,将变刚度执行器作为手爪关节的驱动单元,通过调节变刚度执行器的刚度来改变手爪的刚度。最后,搭建了变刚度柔性手爪的硬件平台,对变刚度执行器进行了刚度测量,验证了所设计的变刚度执行器在进行刚度调节上的可行性。进行了变刚度柔性手爪的力控制实验,成功实现了对柔软物体的抓取。对变刚度柔性手爪的单指进行了性能分析,并验证了手指刚度与变刚度执行器刚度呈正相关关系,完成了变刚度柔性手爪性能实验验证。     

带钢冷轧闭环反馈控制最优化算法程序开发

基于多变量最优化控制的带钢闭环反馈控制模型能够充分利用弯辊和轧辊倾斜等平直度控制机构对板形偏差进行控制。闭环反馈控制的目的是使带钢实测板形与目标板形一致,闭环反馈最优化算法程序能充分利用输入信息,全面考虑多个执行机构对板形的作用,避免各控制之间的相互影响,它是该模型准确计算板形调节量的关键。为了实现自主建立带钢冷轧生产线,对某厂1 700 mm四机架四辊冷连轧机第四机架闭环反馈控制进行深入研究,根据对偶法采用C语言开发出基于多变量最优化闭环反馈计算程序并将其嵌入到可编程逻辑控制器(Programmable logic controller,PLC)中,开发出自主的基于多变量最优化闭环反馈控制模块。由该模块计算的闭环反馈平直度执行机构调节量与采用Matlab工具箱Quadprog函数计算结果一致,计算精度高。     

关节机械手的刚柔耦合分析

针对关节机械手工作时手爪的受力情况进行研究,结合多柔体系统动力学方法,建立了基于刚柔耦合的关节机械手的虚拟样机,进行关节机械手的动态特性仿真与评价。导出手爪的受力曲线,通过对曲线的分析,验证仿真结果的正确性。最后将手爪柔性体的载荷文件导入到ANSYS中进行有限元分析,判断手爪在工作中所受的最大等效应力,并提出对关键部位材料的改进,为工程应用提供了很好的理论依据。     

气动人工肌肉驱动单关节机械臂的自抗扰控制

针对气动人工肌肉驱动单关节机械臂存在严重的非线性问题,提出一种自抗扰控制策略,来改善单关节机械臂的控制效果。对于给出的不精确系统模型,首先利用跟踪微分器安排输入信号的过渡过程,从而有效地解决了系统的快速性和超调之间的矛盾;其次利用扩张状态观测器观估计出系统状态以及系统的非线性和外部扰动,并对其进行补偿;最后设计了带扩张状态补偿的非线性误差反馈控制器来保证系统的闭环响应性能。实验结果表明,该控制方法在气动单关节机械臂关节关节角度控制方面具有良好的控制效果。     

基于多自由度气动机械手位置伺服系统稳定性控制研究

基于传统易碎薄板机械手位置伺服控制系统稳定性低、自动化分拣效率低等不足,设计了一种基于笛卡尔坐标式的气动码垛机器手和位置伺服稳定性控制系统。首先,设计并介绍笛卡尔坐标式码垛机械手的基本组成结构,对机械手末端吸盘气动回路控制系统进行设计和分析;然后分别对机械手X、Y、Z三个方向的伺服电机控制原理进行分析并设计了一种位置伺服系统的前馈自适应控制算法;最后,将传统位置闭环PID算法和前馈自适应控制算法进行位置跟踪稳定性对比试验。实验结果表明该笛卡尔坐标式的气动码垛机器手和位置伺服稳定性控制系统设计合理,满足实际生产要求。     

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。     

A low-cost stepper motor positioning system with minor closed-loop control

Stepper motors are commonly used in low-cost open-loop positioning control systems. However, acceleration and deceleration are limited and operating open-loop can cause the loss of steps and stalling of the motor. To overcome these inherent problems, a low-cost minor closed-loop position control system was developed to optimise the torque output, maximise acceleration and deceleration rates and avoid the loss of steps. Two different minor closed-loop position controllers were designed and tested. Both systems employ an optical incremental encoder and both contain two feedback loops: a minor closed-loop (MCL) feeding back a step angle signal and a major closed-loop for position feedback. The first system uses a fixed advance angle MCL control whereas the second uses a fixed advance time MCL control involving a time-based interpolator. Details of these control strategies employed and the results obtained from the prototype systems are presented.     

气动模拟左心室建模和控制

体外模拟循环系统是心室辅助装置研发的重要测试平台。为了实现体外模拟循环系统中气动模拟左心室压力的控制,从密封容器腔气体压力和温度微分方程以及电比例阀节流口流量公式出发,建立了气动模拟左心室装置完整的数学模型,设计了基于双闭环反馈的模拟左心室压力控制器。控制器和模拟左心室模型在MATLAB/Simulink软件中进行了联合数值模拟。数值模拟的结果表明,模拟左心室压力控制误差小,验证了气动模拟左心室装置及其压力控制方法的可行性。     

基于PLC控制的气动机械手系统设计

介绍了一种用于试验教学的气动机械手的结构组成及工作原理。通过PLC编程,实现了气动机械手的电气控制,顺序完成了各规定动作,并圆满完成了自动搬运任务。该机械手性能稳定,能很好地满足教员和学员的试验要求。     

基于PID+ESO控制器的气动机械手控制仿真分析及试验研究

针对现实中的气动机械手存在的停滞及控制精度不高等缺点,为了使气动机械手具有更好的运动轨迹跟踪特性,降低非线性,通过分析PID+ESO控制器原理,对采用PID控制和扩张状态观测器PID控制下的气动机械手进行了理论研究。通过对控制器的设计,在MATLAB/Simulink软件上分别对两种不同的控制方法进行仿真,得到各轴的目标跟踪曲线和跟踪误差曲线。将此控制器原理应用于气动试验台,得出基于扩张状态观测器PID控制下的误差较低。应用于直角坐标气动机械手响应速度快、控制精度高。     

基于加速度反馈的平面3-RRR柔性并联机器人自激振动控制

平面3-RRR柔性并联机器人在精密定位、物料搬运、宏微结合等领域有着广泛应用,其在运行到某些区域时容易产生自激振动,这极大地影响了系统的精度和稳定性。为了有效抑制并联机器人的自激振动,在并联机器人试验平台上搭建了振动加速度测量系统,利用加速度传感器和伺服电动机实现闭环反馈以及自激振动主动控制。对平面3-RRR柔性并联机器人特定奇异位置自激振动的机理进行分析,考虑加速度信号滤波以及信号传输和处理等因素引起的相位滞后,采用移相技术,给出了基于加速度反馈的控制算法,对平面3-RRR柔性并联机器人的自激振动进行了主动控制试验研究。理论和试验结果表明：提出的基于加速度反馈的主动控制方法能够在奇异位置处有效抑制并联机器人的自激振动。     

基于奇异摄动的柔性机械手预测控制

讨论了柔性机械手末端位置的控制问题。采用奇异摄动方法将柔性机械臂系统动力学方程分解为慢变(刚性 )和快变 (弹性 )两个子系统。给出了一种预测控制与 I/ O反馈线性化相结合的混合控制方法。该方法采用预测控制消除柔性机械手的弹性振动 ,可避免逆动力学和 I/ O反馈线性化控制遇到的零动力学不稳定问题。通过一个柔性机械手的仿真表明 ,本文提出的控制方法可实现柔性机械手末端轨迹的准确跟踪 ,同时能消除柔性机械手的弹性振动。