欠驱动余度机械臂的无碰撞运动规划与控制

基于周期运动的非线性动力学分析,发现欠驱动机械臀在小幅振动输入条件下有运动漂移现象,即当欠驱动机械臂的主动关节小幅振动时,被动关节的平衡位置将发生漂移。基于这一现象提出了被动关节位置控制的余弦函数小振幅控制方法:把人工势场方法引入冗余度机械臂的避障运动规划,提出了欠驱动冗余度机械臂的虚拟模型运动规划方法:把以上两种方法有机结合,提出了一种欠驱动冗余度机械臂的避障运动规划和控制方案,对平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果表明这一方法是可行的。     

2R欠驱动平面柔性机械臂的位置控制策略与试验研究

针对同时具有被动关节和柔性杆的欠驱动平面机械臂,提出一种简单易行的分段位置控制策略。以2R欠驱动平面柔性机械臂为研究对象,建立机械臂的假设模态动力学模型,分析系统的动力学耦合特性与可控性。通过被动关节处制动器的开闭切换,研究平面柔性机械臂的分段位置控制策略,采用PID方法分别设计各阶段主动、被动关节的控制算法。最后,基于自行开发的欠驱动平面机械臂的试验平台及实时控制系统,完成了2R欠驱动平面柔性机械臂位置控制的试验研究。仿真和试验结果表明,主动关节和被动关节在各阶段都能很好地跟踪目标值,进而实现机械臂的操作任务,验证了所提控制方法的可行性和有效性,以及欠驱动柔性机械臂动力学模型的正确性。     

柔性欠驱动机械臂动力学耦合分析

为建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学方程,采用Euler-Bernoulli梁模型并添加经迭代计算的边界条件,对柔性机械臂进行了动力学耦合与仿真分析。在对柔性机械臂进行模态分析的基础上,将柔性机械臂视为包含边界条件的悬臂梁和简支-自由梁模型,采用假设模态法建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学模型。仿真结果证明：添加经迭代计算的边界条件的柔性梁模型能更好地反映自由关节的加速度耦合情况。最后对柔性欠驱动机械臂与刚性欠驱动机械臂进行关节耦合指标分析,结果表明柔性欠驱动机械臂的自由关节包含更复杂的耦合情况,对柔性机械臂弹性振动的控制是对柔性欠驱动机械臂控制的关键。     

基于故障在线估计的欠驱动机械臂容错控制方法

为了提高机器人机械臂故障曲线跟踪准确性，本文设计了基于故障在线估计的欠驱动机械臂容错控制方法。分析机器人欠驱动机械臂关节故障原理，建立动力学模型实现对关节故障的检测。采用分散控制的思想将机器人欠驱动机械臂容错控制分为故障检测、信号重构、取代控制以及反馈控制四个部分，依据这四部分设计容错控制律，实现对速度信号与错误信息的实时反馈。在此基础上，通过干扰观测器实现控制律的干扰补偿，使容错控制后的机器人欠驱动机械臂具有抗外界干扰能力，以此完成控制方法设计。分析实验结果可知，所提方法不仅提高了故障曲线跟踪的准确性，减少了欠驱动机械臂容错控制后的稳态时间，满足了机器人欠驱动机械臂容错控制设计需求。     

平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制

基于模糊控制理论,研究水平运动的4自由度欠驱动机器人位置和姿态控制问题。平面4自由度欠驱动机器人是具有冗余度和欠驱动双重特征的复杂二阶非完整系统,利用主动关节和被动关节加速度之间的耦合作用控制被动关节的运动,同时实现机械臂末端的轨迹跟踪和末杆的姿态控制。根据分层控制思想,提出双模态模糊PID复合控制算法,针对两个子任务分别设计控制器。通过Matlab和ADAMS的联合仿真验证算法的有效性,在基于可编程多轴运动控制卡的试验台上实现平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制试验。仿真和试验结果表明,所设计的模糊PID复合控制器对平面4自由度欠驱动机器人末杆的位置和姿态控制是可行、有效的。     

基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法

针对当前机械臂运动位置控制方法存在机械臂关节节点位置的跟踪效果差和机械臂运动位置控制能力差的问题,提出基于非线性微分方程的机械臂运动位置控制方法。首先对机械臂动力学进行分析,获取内部三连杆结构作用原理和机械臂动力学目标函数,再利用坐标求权矩阵重构机械臂动力学目标函数,获取机械臂相关的非线性微分方程,将非线性微分方程的输出结果,即机械臂动力学参数代入 CPG 神经网络中,构建机械臂运动控制模型。实验结果表明,所提方法的械臂关节节点位置跟踪效果好、机械臂运动位置控制能力强。     

生产线机械制造设备机械臂自动化控制方法

常规方法将伺服电机的驱动力矩直接作用于机械臂关节,关节角速度受扰动力负面影响,使得跟踪轨迹调节时间较长、稳态跟踪误差较大。提出生产线机械制造设备机械臂自动化控制方法。建立机械臂运动学模型,将关节角度作为改变机械臂位置姿态的参量,分析关节角度时间变化规律,得到机械臂位置姿态集合,规划机械臂运动轨迹,利用运动控制处理器,控制伺服电机输出力矩,通过前馈补偿,增益施加给关节的控制力矩,消除扰动力负面影响,由驱动力矩调节关节角速度,使关节角度达到期望值,令机械臂沿着运动轨迹完成作业。以串联连杆型机械臂为例,模拟生产线机械制造设备作业场景,设置初始关节角度和机械臂期望轨迹,实验结果表明,相比两种常规方法,设计方法关节角度调节时间缩短了0.18s、0.384s,稳态跟踪误差减小了0.407rad、0.849rad,提高了机械臂对期望轨迹的跟踪精度。     

火车煤采样机多自由度机械臂运动轨迹控制研究

通过对火车煤采样机多自由度机械臂的结构分析和运动分析,建立了机械臂的运动方程式,并根据运动反求原理建立了再现轨迹的运动控制模型.为了得到多自由度机械臂可行的最优驱动曲线,提出了一套用优化设计方法求解的方案,从而解决了运动轨迹控制智能化问题.该方法可以广泛应用于关节型机械手的智能运动控制,具有较大的推广价值.     

基于T-S模型的欠驱动机器人非脆弱保性能H_∞控制

讨论了欠驱动机器人系统的非脆弱保性能H∞控制问题。利用欠驱动机器人关节间的动力学耦合控制被动关节到达理想位置,进而对其进行锁定,将欠驱动机器人系统转化为全驱动机器人系统。结合非脆弱保性能控制理论和H∞控制理论,提出了基于T-S模型的欠驱动机器人非脆弱保性能H∞控制策略,使其能够进行位置跟踪。两连杆机械臂的仿真验证了所提控制策略的有效性及实用性。     

基于迭代优化和神经网络补偿的超冗余机械臂半参数动力学模型辨识

为了实现超冗余机械臂动力学模型的精确辨识,提出了一种基于迭代优化和神经网络补偿的半参数动力学模型辨识方法。首先,介绍了超冗余机械臂的动力学模型和最小参数集,建立了关节非线性摩擦模型,使用遗传算法优化回归矩阵条件数生成激励轨迹。然后建立了机械臂动力学模型物理可行性约束,基于迭代优化方法设计了两层循环网络对超冗余机械臂的惯性参数和关节摩擦模型进行辨识。最后,利用数据集训练BP神经网络,得到超冗余机械臂半参数动力学模型,并与多种算法进行了比较分析。实验结果表明：相较于传统的最小二乘算法和加权最小二乘算法,通过使用本文提出的辨识算法,关节辨识力矩残差均方根（Root Mean Square, RMS）之和分别提高了32.81%和23.76%,半参数动力学模型相比于全参数动力学模型力矩残差均方根之和提高了23.56%,辨识结果验证了辨识方法的有效性和优越性。     

SELF-RECONFIGURATION OF UNDERACTUATED REDUNDANT MANIPULATORS WITH OPTIMIZING THE FLEXIBILITY ELLIPSOID

The multi-modes feature, the measure of the manipulating flexibility, and self-reconfiguration control method of the underactuated redundant manipulators are investigated based on the optimizing technology. The relationship between the configuration of the joint space and the manipulating flexibility of the underactuated redundant manipulator is analyzed, a new measure of manipulating flexibility ellipsoid for the underactuated redundant manipulator with passive joints in locked mode is proposed, which can be used to get the optimal configuration for the realization of the self-reconfiguration control. Furthermore, a time-varying nonlinear control method based on harmonic inputs is suggested for fulfilling the self-reconfiguration. A simulation example of a three-DOFs underactuated manipulator with one passive joint features some aspects of the investigations.     

欠驱动机器人动力学运动规划的动态子空间法及控制

欠驱动机器人的关节空间运动是通过主、被动关节间的动力学耦合实现的,系统运动可能发生动力学耦合奇异,使欠驱动机器人的动态操作性能严重降低。针对一般具有任意多个被动关节的开链欠驱动机器人系统,基于动力学分析提出一种优化控制方法,其核心是在欠驱动机器人的全部耦合运动空间中,根据动力学耦合操作性度量,动态构造有限个覆盖全部耦合运动空间的具有最佳耦合度的子空间,使发生在这些子空间中的耦合运动具有余度驱动的特点,从而实现提高欠驱动机器人的动力学耦合度的优化控制。提出的方法通过平面四连杆机器人进行仿真,仿真结果证明了这种方法是可行的。     

欠驱动柔性机器人动力学建模及仿真

根据欠驱动机器人的结构特点，以柔性多体系统动力学理论为基础，采用便于实时控制的假设模态方法，建立了具有柔性杆件的欠驱动机器人的动力学模型。对动力学模型的求解进行了分析，讨论了被动关节处模态函数各种边界条件的确定。通过对二自由度欠驱动机器人被动关节的位置控制，实现对柔性杆的弹性变形及其变化的仿真分析，所得结果验证了假设模态方法动力学模型的有效性，反映了不同驱动器位置系统的振动特性和对系统振动控制的必要性。     

无根欠驱动冗余机器人动力耦合特性研究

无根多刚体系统和欠驱动冗余机器人系统实质上都属二阶非完整动力系统,其位姿空间约束方程不能满足控制要求,一般基于动力学方程对系统进行控制,即通过关节间动力耦合作用约束被动关节运动,因此此类机器人可控性分析的重点在于系统耦合运动特性研究。基于动力学虚设机构法及非完整系统微分变分原理,建立了无根欠驱动冗余机器人的动力学模型;针对虚设关节、主、被动关节进行动力学模型解耦,推导出了系统的二阶非完整约束方程及被动关节的加速度表达式;在此基础上,通过定义表征被动关节耦合运动的性能指标,针对不同位置主动关节输入参数对被动关节可控性的影响进行了仿真分析,得到了提高无根欠驱动冗余机器人可控性的有益结论,为实际欠驱动冗余机器人输入控制提供了参考。     

跳跃机器人起跳姿态优化方法研究

提出了一种跳跃机器人起跳运动优化方法,分析了跳跃机器人惯性匹配与跳跃性能的关系。基于空间浮动基建立了跳跃机器人变约束动力学模型;运用惯性匹配椭圆和方向可操作度理论,优化起跳姿态。仿真和实验表明,惯性匹配椭圆是一种较好的跳跃机器人起跳姿态优化方法。     

漂浮基柔性空间机械臂协调运动的非线性鲁棒自适应控制

针对具有外部扰动与参数不确定或未知的情况,讨论漂浮基柔性空间机械臂系统的协调控制与柔性振动抑制问题。基于假设模态法对柔性臂杆进行近似描述,并利用第二类拉格朗日方程与系统动量守恒关系,推导带外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,提出漂浮基柔性空间机械臂系统协调运动的非线性鲁棒控制与非线性鲁棒自适应控制方案。此两种控制方案均可克服外部扰动对系统的影响,控制漂浮基柔性空间机械臂系统载体姿态与机械臂各关节铰完成期望的协调运动,同时有效地抑制了臂杆的柔性振动。除此之外,非线性鲁棒自适应控制方案还可以解决系统惯性参数不确定或未知的问题。系统数值仿真结果证实了所提控制方案的有效性和可行性。     

具有外部扰动的漂浮基空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的控制问题。结合系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程,并将其转化为状态空间形式的系统控制方程。以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基空间机械臂载体姿态与机械臂关节协调运动的Terminal滑模控制方案。提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性。此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性。一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性。