气动人工肌肉并联机器人平台

提出一种基于气动人工肌肉的新型3自由度并联机器人平台,该机器人平台结构简单,具有3转动自由度。在对该新型3自由度并联机器人平台运动学和动力学特性理论分析的基础上,采用模糊变结构控制策略设计了新型3自由度并联机器人平台的两层滑模模糊变结构控制器,并建立了试验系统,开展了新型3自由度并联机器人平台的试验研究,其最大位置跟踪误差0．3 mm,当气源压力改变后,最大跟踪误差仍小于0．6 mm。试验结果表明,采用气动人工肌肉作为驱动装置设计的3自由度并联机器人平台是可行的,两层滑模模糊变结构控制策略对于该系统是适合的。     

一种新型伪四自由度并联机器人的设计与分析

通过对传统并联机器人结构与性能的分析,设计了一种新型的伪四自由度并联机器人,克服了传统机器人驱动电机数量与自由度数量相等的障碍,有效地简化了四自由度并联机器人的制作工艺。将旋转轴固定在静平台上,两根主动臂与从动臂固定于动平台上,构成二自由度并联机构;两输出轴驱动两根主动臂旋转,带动末端执行机构在二维平面内运动;旋转轴驱动动平台进行旋转,实现末端执行机构在三维平面内的运动。分析了伪四自由度并联机器人的结构特点以及工作原理,建立了运动学模型,对其工作空间进行动态仿真并搭建硬件平台进行实验测试。实验结果表明该伪四自由度并联机器人能够提高运行速度并能准确定位抓取,实现四自由度机器人功能。     

一种三维平移正交并联机构及其位置分析

根据并联机器人机构结构综合理论,提出了一种新型的能实现三雏纯平移的空间3-P⊥R⊥4r⊥R三自由度正交并联机器人机构.该机构通过动平台和定平台的3个全部由转动副和移动副构成的约束支链连接,使定平台上3个直线移动驱动副的轴线两两互相垂直.根据杆长约束条件,推导了完全封闭形式的位王正、反解.分析结果为该机构的设计及实用化提供了理论依据.     

制孔末端执行器同步控制与误差分析

基于并联机构的航空末端执行器在制孔的过程中,保证其运动控制精度是十分重要的,由于并联机构中存在多条运动支链,因此需要考虑它们的耦合关系和运动协调能力。以改进的3RRR并联机构作为研究对象,进行其驱动关节的同步控制研究。首先根据3个驱动关节转角建立动力学方程,并考虑到各个支链间存在耦合约束力,基于一种各个驱动关节同步控制器,将跟踪误差和同步误差的均方根作为性能指标,对改进3RRR并联机构进行控制实验。在实验中将增广比例微分（PD）控制器与驱动关节同步控制器进行对比,验证了驱动关节同步控制器的有效性,证明了考虑支链间协调性的控制器对改善并联机构的运动精度具有重要作用。     

融合云计算的桁架机器人柔性分拣结构控制

传统控制技术在计算分拣结构期望力矩时，忽略了对从动臂执行力矩的补偿，导致末端最大跟随误差、夹持力超调量较大。为此，针对桁架机器人柔性分拣结构，本研究融合云计算过程设计了新的自动化控制技术。在采集工件图像后定位其实际位置，从而确定抓取点。然后通过云计算获得分拣结构抬起高度等参数，根据抓取点和放置点位置规划分拣结构运动轨迹，并计算作用在主动臂、从动臂、动平台上的期望力矩。最后通过力矩前馈控制器执行力矩前馈补偿，驱动机器人柔性分拣结构完成运动轨迹。在实验中，改变分拣结构末端运动速度和负载，结果表明：该技术减小了分拣结构末端最大跟随误差和夹持力超调量，提高了工件位置跟踪精度和抓取稳定性，保证了机器人对速度变化和负载变化的自适应性。     

3-PPR并联伺服平台非线性同步鲁棒控制

3-PPR并联伺服平台由3个伺服电机协同驱动,实现平面位姿的精密调整。针对各轴运动不协同而导致轨迹精度降低的问题,基于平台的运动学分析和动力学模型,引入虚拟电机的概念,定义了平台的非线性同步误差,设计了一种非线性同步鲁棒控制器,使三轴的跟踪误差和同步误差均能渐进收敛。仿真和实验结果表明,采用该控制策略可以提高各轴的非线性同步性能,有效提高系统协同性,平台位置轨迹跟踪误差小于0.1 mm,满足3-PPR并联伺服平台在实际应用过程中的控制需求。     

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。     

三支链六自由度并联柔性铰微动机器人的研究

提出了一种过程中采用的新型三支链六自由度并联微动机器人结构。采用两端分别带有柔性球铰和柔性旋转铰的支杆以简化结构,整体加工包含三个二自由度单元的基平台来有效减小装配误差,并用压电陶瓷驱动弹性平板获得高分辨率高精度。根据运动影响系数理论对其运动学进行分析,求出了其平动台、支杆和柔性铰链的速度表达式。考虑柔性铰链的弹性变形,基于虚功原理建立了其刚度模型。 分析了此类并联微动机器人的设计目标和柔性铰链设计原则,采用模块化精密定位控制器设计了控制系统。实验结果表明,所设计的微动机器人可达到纳米级精度, 简化了六支链六自由度并联微动机器人的复杂结构,减小了装配误差。     

多输出3D打印并联机器人的设计分析与实验

提出一类新的四自由度并联机构,设计一种共用驱动的3D打印机器人,这种3D打印机器人一次可以打印两个或多个相同的产品。分析四自由度并联机构的运动学,工作空间,雅可比矩阵,奇异位形,得到用于设计3D打印机器人最优结构;给定动平台的运动轨迹,仿真分析驱动关节与动平台的实时位置关系;利用并联机构的控制特性,对设计的样机进行试验分析。结果表明,由于这种四自由度并联机构的特性,3D打印机器人控制简单,可以在倾斜表面上进行打印,在特定的条件下打印的物体具有更高的表面精度。     

可变胞并联机械臂样机的研制与误差分析

提出了一种通过驱动副锁定组合实现变胞的超冗余并联机械臂,其基础构型是3-PUPS并联机构,对机械臂进行了误差建模与分析,并通过标定系统测量了机械臂实验样机的定位误差。首先,提出了通过对3-PUPS机构各驱动副的组合锁定实现机械臂变胞的设计思路,从而使机械臂可以根据任务需求改变自身构型和性能;然后,采用含误差源的闭环矢量回路法,建立了机械臂3-PUPS机构的误差传递模型,并以此为基础,分析了机械臂的各误差源对其运动平台输出误差的影响规律;接着,根据各误差源对机械臂的输出误差影响程度,确定了各主要运动副配合零件的加工精度等级及公差,在此基础上研制出机械臂的实验样机;最后,采用一套高精度的工业机器人标定系统对机械臂的实验样机进行了定位误差测量,实验表明:机械臂的运动平台的位置误差均在0.005~0.038mm之间,姿态误差均在0.010~0.044°之间,位置误差比通用式工业机器人的位置重复定位精度0.05mm略有提高,姿态误差与通用式工业机器人的姿态重复定位精度0.045°相当。     

基于高频微幅振动的微切剖操作器设计

提出一种基于高频微幅振动的微切剖操作器,其微动机构采用具有3个纯移动自由度的3-RUU并联机构,机构的动平台安装有PZT高频微幅振动单元,固联于振动单元的操作针可在跟随机构动平台作较大范围运动的同时通过PZT单元的高频微幅激励实现微切剖操作.建立3-RUU微动机构的尺寸型模型,绘制描述机构尺寸参数组合与机构性能关系的性能图谱并根据性能图谱设计微动机构的运动学参数.利用有限元法对微动机构的静、动态性能进行分析,并进一步确定微动机构及驱动单元的结构参数.基于得到的运动学及结构参数制作操作器原型,该原型可作为显微切剖操作试验系统的一个基本单元.     

基于运动控制卡的2-PPa移动并联机器人控制系统

设计了基于运动控制卡的2-PPa移动并联机构控制系统,采用Visual Basic 6．0开发平台,将所需的动平台轨迹,通过运动学计算模块,转化成输入关节速度等参数。接着连接PCI-7340运动控制卡和UMI-7764多功能数据采集卡,调用NI公司提供的VB模块函数,控制步进电机,实现对机器人的运动控制。     

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。     

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。     

带有迟滞非线性的气动运动模拟平台自抗扰轨迹跟踪控制

针对带有迟滞非线性的气动运动模拟平台的轨迹跟踪提出了带有切换扩张状态观测器的自抗扰控制方法。气动运动模拟平台的迟滞非线性特性主要指气动人工肌肉在正向充气反向放气时长度和拉力曲线的差异。针对此特性设计了切换扩张状态观测器来估计和补偿模型非线性,分别对于气动人工肌肉正反向充放气的不同模型采用不同的观测器增益,以提高状态估计效果,减小跟踪误差。进一步,设计了状态误差反馈控制器,得到了基于切换扩张状态观测器的二阶非线性动态系统全局有界稳定的充分条件。最后实验结果证实了所设计的切换扩张状态观测器的实际效果。     

Barrier Lyapunov function-based model-free constraint position control for mechanical systems

In this article, a motion constraint control scheme is presented for mechanical systems without a modeling process by introducing a barrier Lyapunov function technique and adaptive estimation laws. The transformed error and filtered error surfaces are defined to constrain the motion tracking error in the prescribed boundary layers. Unknown parameters of mechanical systems are estimated using adaptive laws derived from the Lyapunov function. Then, robust control used the conventional sliding mode control, which give rise to excessive chattering, is changed to finite time-based control to alleviate undesirable chattering in the control action and to ensure finite-time error convergence. Finally, the constraint controller from the barrier Lyapunov function is designed and applied to the constraint of the position tracking error of the mechanical system. Two experimental examples for the XY table and articulated manipulator are shown to evaluate the proposed control scheme.

     

基于三组测量绳结构的软体机械臂运动检测

针对气动软体机械臂运动形状检测问题,设计了一种基于拉线编码器的三组测量绳结构的运动学参数检测装置。依据分段常曲率法,构建了气动模块化软体机械臂的运动检测模型,基于机械臂柔性材料的特点,在建模过程中引入刚度法,使检测模型能准确反映从机械臂驱动气压到形状变化以及运动学参数的映射关系。提出了一种可模块化组装的气动软体机械臂,用于验证检测装置与模型的精度,所提出的机械臂在构型上由硅胶基体、运动气囊和连接板组成,能实现机械臂的模块化组装。通过对所构建的运动检测模型进行推导与仿真,得到了模型的相对误差。最后,通过试验验证了运动检测建模的精度和机械臂驱动、构型以及运动的特征。研究结果表明：相比于传统的视觉追踪方法,所设计的基于三组测量绳结构的检测装置能实现对软体机械臂运动形状的高精度检测。     

Kinematics of a five-degrees-of-freedom parallel manipulator using screw theory

In this work, the kinematic analysis of a five-degrees-of-freedom decoupled parallel manipulator is approached by means of the theory of screws. The architecture of the parallel manipulator under study is such that the translational motion of the moving platform, with respect to the fixed platform, is controlled by means of a central limb provided with two active prismatic joints while its rotational motion is controlled by means of a three-degrees-of-freedom spherical parallel manipulator. The forward position analysis is presented in semiclosed form solution applying recursively the Sylvester dialytic elimination method. On the other hand, the velocity and acceleration analyses are carried out using the theory of screws. Simple and compact expressions to compute the velocity state and the reduced acceleration state of the moving platform, with respect to the fixed platform, are easily derived in this contribution by taking advantage of the Klein form of the Lie algebra se(3). Finally, only few and slight modifications to the proposed method of kinematic analyses are required in order to approach the position, velocity, and acceleration analyses of parallel manipulators with similar topologies.     

下肢外骨骼助力机器人关节驱动设计及试验分析

针对人体下肢关节特点与助行要求,设计了外骨骼机器人关节结构;通过ADAMS软件仿真,分析了外骨骼机器人水平助行过程中关节功率配置需求,根据关节需求设计了外骨骼电液伺服驱动系统;为满足外骨骼机器人对人体下肢关节助力及柔顺性要求,提出了基于关节误差估计的PID控制方法。详细介绍了外骨骼机器人下肢关节结构的运动形式与技术参数,优化配置了关节结构的运动范围与驱动行程,对该机器人进行了运动学分析并通过外骨骼的典型动作进行验证;划分了外骨骼助行过程中步态与关节驱动映射,给出误差估计与补偿PID控制的具体参数;分别从关节跟踪与助力功率的角度,量化分析、对比了基于关节误差估计与常规PID两种控制方法的助力指标参数。试验结果表明,所设计外骨骼关节与驱动系统可实现穿戴者助力行走;对比常规PID控制,抑制了关节驱动控制输出区间的不连续,改善了关节跟踪误差,提升了助力效果与柔顺性。