基于最小二乘法的桥式起重机机械臂关节控制系统设计

机械臂关节控制过程存在姿态误差,提出基于最小二乘法的桥式起重机机械臂关节控制系统设计;设计机械臂总体架构,达到级联组成末端位姿目的,使用全驱动灵巧手,包含1手掌和3手指,采用多个连杆串并联混合的形式传递运动和力矩,借助AT89C51单片机设计电路结构;采用最小二乘法构建机械臂的响应面模型,通过H-D参数法计算机械臂末端运动关节间位姿误差,建立误差模型,利用DETMAX算法分析运动参数,实现最小姿态选取,将机械臂运行速度数据记录在控制系统平台中,根据机械臂运行速度信息获取其均匀性控制状况,实现控制;激光测振仪的输出单位为1 mm/V,柔性机械臂的振动周期200ms,训练样本集大小为300,测试集样本大小为100,实验结果可表明,该方法机械臂关节运动拟合度与实际情况基本一致,位置跟随误差见效时间需要0.05～0.2 s,之后位置跟随误差便能够保持在较小的范围之内.     

空间机械臂地面竖直方向重力补偿控制系统设计

为解决大型空间机械臂地面微重力模拟实验问题,设计了一种3维主动悬吊式重力补偿系统.系统主要由水平2维直线运动单元与竖直重力平衡吊挂单元组成,在竖直方向上通过恒张力控制思想实现微重力模拟,并给出了带负载的伺服电机的数学模型.提出一种基于模糊PID(比例―积分―微分)参数整定的力/位混合控制方法,并研究了在未知负载干扰、系统干扰以及机械臂不同运动速度下控制器的控制性能.仿真实验结果表明,该控制方法能够将重力补偿精度保持在0.3%F.S(全量程)之内,使得系统具有较强的鲁棒性和动态响应能力.     

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.     

基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法

针对目前柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法忽略了不同重力影响下的机械臂驱动力变化,导致柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制效果较差的问题,提出了基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法。基于构建PMSM驱动数学模型,采用PMSM的矢量控制方法,分析驱动力矩矢量。根据驱动力矩矢量分析结果,分析不同重力环境下有、无摩擦时的驱动力矩。构建柔性关节模型,分析其在不同重力环境下遇到的重力释放问题,使用自适应反演滑膜控制方法,设计控制率,保证机械臂能够按照既定的方向运动,使机械臂具有鲁棒性。根据柔性关节空间机械臂动力学特性,分析不同重力环境下基于PMSM驱动力矩,确定重力项是随之发生改变的。设计控制器,构建动力学模型,确保空间阶段能够最大限度跟踪运动轨迹。实验结果表明,所提方法X轴、Y轴的末端跟踪结果均与实际运动轨迹一致,误差为0。关节控制力矩在时间为3s时,出现了最大为0.5N.m的误差,说明所提方法的跟踪控制效果较好。     

基于CAN总线控制系统的航天特种机械臂设计

航天特种机械臂具备精确操作和视觉识别的能力,在载人航天领域中广泛应用,为了在复杂环境中精准完成陆基装配任务,设计基于CAN总线控制系统的航天特种机械臂。从关节、连杆、驱动电机、锁紧制动器等方面,组装航天特种机械臂结构元件。装设航天特种机械臂控制器,在控制器中加设一个串行通信接口,将控制器连接到CAN总线中,配置CAN总线控制系统的通信协议,完成航天特种机械臂硬件结构设计。利用航天特种机械臂中传感器设备,检测航天特种机械臂实时位姿,补偿航天特种机械臂重力负载。根据机械臂工作任务,规划移动轨迹,在控制器的支持下,通过控制量的计算与通信,实现航天特种机械臂的控制功能。性能测试实验表明,设计基于CAN总线控制系统的航天特种机械臂平均位置和关节姿态角的控制误差分别为3.0m和0.32°,平均形变量为2.64m2,具有较好的控制性能和抗压性能。     

一种具有重力补偿的串联弹性执行器接触力控制方法

针对机械臂末端安装串联弹性执行器(Series Elastic Actuator,SEA)与环境或工件接触作业工况,考虑SEA端部负载对接触面压力随机械臂运动姿态变化的问题,研究一种具有重力补偿的SEA接触力控制方法。首先分析了一种基于滚珠丝杆模组的SEA与Staubli TX90 组合的力控制实验装置结构,建立了SEA与工件接触过程的动力学模型,提出了一种具有输入重力补偿的PD型SEA弹簧力控制方法,该方法在没有接触力传感器的情况下,依据机械臂关节角对SEA端部负载进行重力输入补偿,通过检测弹簧压缩变形量,计算并反馈弹簧力实现对接触力的控制。最后通过SEA与正弦面工件接触力控制实验,并对力传感器采集的接触力信号进行频谱分析,验证了所提出控制方法的有效性。     

基于关节角补偿的多轴串联机械臂轨迹自动跟踪控制

由于现有方法在机械臂轨迹跟踪控制实际应用中,容易受到刚性连杆和柔性连杆之间耦合作用影响,导致控制后轨迹与实际目标轨迹一致性系数较低,为此提出基于关节角补偿的多轴串联机械臂轨迹自动跟踪控制.首先利用旋转矩阵对多轴串联机械臂空间位姿描述及坐标变换,然后利用关节角补偿对多轴串联机械臂末端关节角进行补偿计算,根据计算结果规划多...     

机械臂负载移动性能与运动调控研究

工业的不断发展对机械臂的负载要求越来越高,而负载的增加会对机械臂末端的精度造成影响.本文以Franka七轴串联机械臂为对象,采用M-DH法和雅可比迭代法对其正、逆运动学展开分析;采用三次函数插值法进行关节空间的轨迹规划.基于拉格朗日方程建立了机械臂的动力学模型,并通过Admas和Simulink联合动力学仿真验证了动力学模型的有效性.最后基于定位控制,对末端位置误差收敛速率、负载质量、控制参数之间的关系展开研究.     

冗余度机械臂零初始加速度运动规划方案研究

针对冗余度机械臂加速度非零初始值的情况,探讨了一种基于伪逆的加速度层优化控制方案。利用约束函数以使关节从零初始加速度开始运动,并引入关节速度/位置的反馈信息,采用速度/位置误差补偿方法改善运动学方程。通过上述方案对机械臂进行优化控制,可及时减小末端执行器的速度误差和位置误差,从而保证轨迹跟踪的精度。利用MATLAB软件对平面三连杆机械臂跟踪圆形和星形轨迹进行了实验。实验表明末端执行器位置误差在5s内达到10-6 m精度,机械臂能顺利完成跟踪任务。     

基于模糊PID的悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计

针对悬吊式机械臂在工作过程中受起吊荷载的影响而产生的重心不稳现象,在模糊PID控制算法的支持下,进行悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计研究。硬件方面,改装主控制器、传感器和通信模块,加设重力补偿装置及驱动电机设备。在此基础上完成软件设计,根据机械臂的组成结构以及工作原理,构建悬吊式机械臂数学模型。在该模型下,检测悬吊式机械臂实时位姿,针对不同位姿建立相应的重力平衡方程。计算机械臂负载力矩,利用模糊PID算法求解机械臂重力补偿控制量,实现悬吊式机械臂重力补偿控制功能。实验结果表明：与传统重力补偿控制系统相比,优化设计系统的控制误差降低了0.056kN,机械臂的稳定系数提升了0.14,即优化设计系统可提高补偿控制效果,具有一定应用价值。     

旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制

旋翼飞行机械臂是将多关节机械臂固连在旋翼飞行平台上而组成的一种面向主动任务操作的特殊系统,其飞行平台和机械臂之间存在强耦合特性.本文针对机械臂的规划运动对飞行平台的干扰问题,建立了系统运动学和动力学模型,并通过动态计算系统重心位置坐标,设计出基于backstepping的动态重心补偿控制方法,针对补偿项测量噪声问题设计了二阶低通滤波器,并使用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性.仿真和实验均验证了在相同的参数条件下,具有动态重心补偿项的控制算法比没有重心补偿项的控制算法在轨迹跟踪和姿态稳定方面具有明显优势.     

空间机械臂收拢状态零重力模拟

利用吊丝配重法进行零重力模拟装置的结构设计,结合重力补偿原理推导出空间机械臂分离体静力学重力补偿计算公式,同时采用最小方差原理将多个力矩的优化问题转化为一个总体目标,建立了吊点力优化程序,通过该优化程序得到各吊点力的数值.当吊丝长度为1 000mm时,利用ADAMS建立空间机械臂零重力模拟装置模型.当空间机械臂为静止状...     

微创手术机器人力反馈主手重力补偿研究

针对医生操作微创手术机器人力反馈主手进行主从微创手术时力反馈主手各杆件重力阻碍操作性能的问题,基于虚位移原理对力反馈主手各关节的重力矩进行推导,并采用Adams仿真软件对其进行验证．该方法适用于开链和闭链结构的机器人臂,与传统的牛顿－欧拉法和拉格朗日法相比,它不需考虑速度、加速度,且简单有效．然后采用电机驱动的方式对力反馈主手的各连杆重力进行补偿,实现了重力的完全补偿．实验结果表明,基于虚位移原理的主动重力补偿能够达到较好的补偿效果,将未补偿前的重力矩作用减小了60%以上,提高了力反馈主手的操作性能．     

A nonregressor nonlinear disturbance observer-based adaptive control scheme for an underwater manipulator

A new nonlinear disturbance observer-based tracking control scheme for an underwater manipulator is presented in this paper. This observer overcomes the disadvantages of existing disturbance observers, which are designed or analyzed by the linear system techniques. It can be applied in underwater manipulator systems for various purposes such as payload compensation, interaction effects compensation, underwater current or external disturbance compensation, and independent system control. The performance of the proposed tracking control scheme is demonstrated numerically by the payload compensation and interaction effects compensation for a two degrees of freedom vertical underwater manipulator.     

接触作业型飞行机械臂系统的力/位置混合控制

针对飞行机械臂系统移动接触作业问题,使用了一个力/位置混合控制框架,用以控制飞行器系统持续可靠地接触外部环境同时保持一定大小的接触力,并实现在接触过程中的期望轨迹跟踪.首先将作业空间分成2个子空间--约束空间和自由空间,并分别进行力控制和位置控制.对于力控制问题,证明闭环无人机系统是一个类弹簧-质量-阻尼系统,然后在约束子空间中设计逆动力学控制器来实现接触力控制.自由飞行空间中的运动控制依靠轨迹规划和位置控制器来实现.最后,开发了基于六旋翼飞行机器人的单自由度飞行机械臂系统,在飞行状态下进行接触墙面并跟踪倾斜直线轨迹的实验.结果显示本文所使用方法能够保证在平稳移动的同时控制期望的接触力.