基于曲线物理模型的轨迹运动规律研究

为了把轨迹的位置控制转变为运动规律控制,取消插补运算,建立数控机床运动控制的物理模型。根据运动学原理和几何学原理研究轨迹的几何参数、运动参数、规划参数之间的关系,写出了轨迹运动微分方程组。根据轨迹函数、规划参数可以计算出各坐标轴的瞬态运动参数。运动规律的代表是一组运动参数,用运动参数控制运动等于同时控制运动规律和几何规律。一条轨迹的位置点有无穷多个,但规律只有一个,按运动规律控制的方法是最简捷、最全面的。经过试验和仿真,证明运动参数控制轨迹的方法是能够同时控制位置和运动的好方法。     

基于数控加工轨迹泛函的动态控制方法

为解决轨迹位置与运动综合控制的难题、研究运动方法实现轨迹的机理,采用泛函分析方法研究轨迹运动复杂的时空关系.设定时间为参数的轨迹泛函就是关于位移的特殊运动方程,其微分方程泛函结构为几何参数泛函与几何参数对时间的导数的组合,将轨迹泛函分为时间参数和空间参数的映射关系,分别研究轨迹的空间和时间关系、简化时间与空间关系、扩展几何参数映射空间.几何泛函由轨道函数确定,其计算可以离线完成.定义几何参数对时间求导的中间变量为参考时间,选择工艺参数为参考时间,以便根据工艺进程控制加工进度.运动规律是几何关系与时间关系的复合,控制运动规律就可以准确实现轨迹的几何性质.提出轨迹控制新方法:控制运动规律实现轨迹,用参考时间控制运动进程.经过试验和仿真,证明该方法能实现几何与运动的综合控制,减少计算次数,提高轨迹精度,增加路径规划对环境的适应能力,是机床轨迹控制的好方法.     

数控加工轨迹运动控制建模及仿真研究

为了减小刀具运动轨迹与工件几何曲线的误差，提出将传统的位置；垃制改为物理运动规律控制，即建立数控机床的运动模型，分析被加工轮廓的曲线方程、加工工艺运动要求与刀具加工运动的合成或分解关系，推导出轨迹运动方程组（即运动规律）。提出了基于运动规律控制的轨迹实现方法，推导出相应的公式，提出了范数误差公式。根据轨迹运动方程组编制了仿真程序，用计算机仿真不同规律的轨迹运动，用图形直观地表示运动参数变化和轨迹的运动过程，以分析轨迹的几何精度。实验和仿真证明了该方法是可行的、高效率的动态控制方法。     

机械手时间最优脉动连续轨迹规划算法

为使机械手的作业效率达到最优,同时确保运动的平稳性,提出一种新的最优轨迹规划方法。通过逆运动学运算得到与任务空间轨迹对应的关节空间位置序列,采用7次B样条曲线插值方法构造启动和停止运动参数可控,且速度、加速度和脉动均连续的关节轨迹。将机械手运动学约束转化为B样条曲线的控制顶点约束,采用序列二次规划方法求解最优运动时间节点,进而规划出满足非线性运动学约束的时间最优脉动连续轨迹。仿真和试验结果表明,提出的轨迹规划方法为关节控制器提供理想的轨迹,使机械手在最短的时间平稳地跟踪任务空间的任意指定轨迹。     

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     

新型拟人机械腿的参数优化

提出一种新型拟人机械腿机构及其概率参数设计方法,研究了该机械腿的运动学性能。推导出该机械腿的位置反解、运动传递平衡方程和静力平衡方程,定义了运动传递性能评价指标、力传递性能评价指标及各全域性能评价指标,应用空间模型技术研究了各全域性能评价指标的分布规律,给出了各性能评价指标与各结构参数之间的影响规律;应用基于性能图谱的概率参数设计方法,为这种机械臂选取了合理的结构参数,同时,考虑加工与装配工艺性,设计了一种拟人机械腿,为拟人机械腿的轨迹规划、研制及控制奠定基础。这种机械腿具有结构简单、承载能力强、运动惯性小和加工工艺性好等优点。     

精密转台S曲线轨迹规划及高精度控制

为提升精密转台的轨迹运动精度,本文从轨迹规划和运动控制两个方面对传统控制算法进行了改进。轨迹规划方面,推导了S曲线轨迹规划方程,并结合转台动力学约束条件给出了轨迹规划参数的取值方法,从而为运动控制算法提供了满足动力学要求的轨迹指令;运动控制方面,在传统双闭环反馈控制基础上增加了DOB扰动补偿和前馈补偿,以此改善转台的伺服性能,提升转台的运动精度。在详细说明了轨迹规划算法和运动控制算法的设计过程后,对两部分算法进行综合,给出了具体实现步骤,并以谐波转台和RV转台为实验对象进行了多组算法性能测试。实验结果表明:相比于传统控制方法,采用本文提出的方法能够使转台动态精度提升99.6%,稳态精度提升99.75%,从而证实了该算法对运动精度提升的有效性。     

一种基于模糊控制的分数阶自适应导纳控制方法

针对下肢康复外骨骼机器人在主动康复训练中运动柔顺性不足的问题,提出一种基于模糊控制的分数阶自适应导纳控制方法。该方法是先在导纳控制模型中,惯性项、阻尼项和刚度项的阶数由整数变为分数,同时通过设置不同分数阶参数对比分析,找到最佳分数阶参数,用于人机交互控制中,可以有效提高康复机器人系统的平稳性和柔顺性。然后将实际人机交互力与期望交互力的偏差转化为位置偏差,以此来修正期望轨迹,其中位置控制器采用PID控制,实现位置跟踪。再利用模糊推理实时地调整导纳控制器的阻尼与刚度参数,相比固定导纳参数更能顺应人体运动意图,改善人机协调性,实现下肢康复外骨骼机器人的自适应主动柔顺控制。在Matlab/Simulink平台对分数阶自适应导纳参数控制器进行仿真实验,与固定导纳参数控制器进行对比分析。仿真结果显示,该方法可以有效降低轨迹跟踪误差,提高跟踪精度,使得人机之间的协同程度更高,同时降低人机交互力,有效改善运动柔顺性,保证患者的安全,避免肌肉二次损伤。     

基于虚拟样机的挖掘机器人轨迹规划控制仿真和优化技术研究

阐述了用虚拟样机技术进行挖掘机器人轨迹规划控制的仿真和优化的必要性;提出了轨迹规划控制的实现方案,分析了关键技术及其解决方法,重点研究了用挖掘机器人虚拟样机进行控制系统参数优化和轨迹规划仿真实验的方法,并以动态响应特性的仿真为例,用物理样机的相应实验结果验证了虚拟样机轨迹规划控制仿真实验模型的正确性;借助在虚拟样机上的仿真实验,分析了液压系统流量分配对轨迹规划效果的影响,提出了轨迹规划的改进措施,用以提高轨迹规划的速度和轨迹跟踪的精度。     

基于Simulink/SimMechanics的四足机器人足端轨迹规划及动态仿真分析

针对四足机器人在行走过程中,因摆动相与支撑相之间相互切换造成的足端与地面冲击、振动的问题,提出了一种基于改进型等速运动与叠加摆线运动复合的轨迹规划方法。首先对摆动相的足端在水平方向和竖直方向进行运动规律规划;然后,运用复合运动的方法规划足端轨迹在直角坐标空间中的运动轨迹方程,从而获得足端在直角坐标空间中的位置、速度、加速度等信息;最后,在Simulink中建立四足机器人的动态仿真模型,以四足机器人的Trot步态为例,仿真分析所提出的轨迹规划方法在笛卡尔直角坐标空间和关节坐标空间中的运动特性。仿真分析结果表明,基于改进型等速运动规律与叠加摆线运动规律复合的轨迹规划方法得到的轨迹曲线平滑连续,与复合摆线运动规律相比,在水平方向和竖直方向上都能较长时间保持匀速,整体运动平稳,此足端轨迹规划方法较理想。     

基于摆线运动规律的悬索并联机器人轨迹规划

六自由度绳索悬挂式并联机器人属于大柔性机械系统，为保证运动的平稳性，要求动平台的运动轨迹光滑连续，为此提出了基于摆线运动规律的笛卡儿空间连续轨迹规划方法，该方法计算简单，实时性好。利用该方法对直线轨迹、圆轨迹和过离散点轨迹进行了规划。运动学和动力学方程的计算结果表明，绳索的速度、加速度和拉力变化连续平缓，而且绳索拉力始终大于0，因此动平台运行过程中动态响应小，绳索张紧可靠。该方法适用于悬索机器人的轨迹规划，同样也适用于对运动平稳性要求较高的其它机器人系统。     

虚拟轴机床刀具运动轨迹的直接控制

本文提出了虚拟轴机床刀具运动轨迹的直接控制方法,该方法可根据可信息和加工工艺信息,直接生成刀具希望轨迹和虚轴运动指令,并通过虚实变换对实轴的联动控制,从而有效保证刀具轨迹与希望轨迹一致,所得结果为开发新型虚拟轴机床控制系统奠定了基础。     

合作机器人轨迹规划及实验研究

为实现合作机器人(Cobot)的虚拟轨迹控制,提出了基于操作力的轨迹规划方法;根据操作力、期望轨迹和Cobot末端当前位置,对Cobot进行了轨迹规划,建立了Cobot的轨迹规划模型,并对Cobot跟踪直线和圆弧轨迹进行了实验研究。结果表明,基于操作力的轨迹规划方法能在人机合作的条件下使Cobot跟踪期望轨迹,且操作力的大小不影响Cobot的运动轨迹,Cobot的运动速度随着操作力的增加而增大,符合人机合作要求。基于操作力的轨迹规划模型可应用于外科手术、物料搬运和零件装配的人机合作机器人中。     

基于Matlab的机器人轨迹仿真及关节控制

首先根据标准D-H参数法建立六关节臂型机器人的连杆坐标系,推导出运动学正解和逆解的方程,然后在Matlab中搭建了机器人仿真模型。运用Matlab机器人工具箱分别从关节空间和笛卡尔空间两方面进行机器人轨迹规划仿真,并基于关节空间生成的轨迹数据实现了机器人关节硬件在环控制和轨迹实时跟随。实验结果表明,该模型可以准确地实现机器人关节轨迹控制,其为机器人控制开拓了新的道路。     

Trajectory planning of mobile robots using indirect solution of optimal control method in generalized point-to-point task

This paper presents an optimal control strategy for optimal trajectory planning of mobile robots by considering nonlinear dynamic model and nonholonomic constraints of the system. The nonholonomic constraints of the system are introduced by a nonintegrable set of differential equations which represent kinematic restriction on the motion. The Lagrange’s principle is employed to derive the nonlinear equations of the system. Then, the optimal path planning of the mobile robot is formulated as an optimal control problem. To set up the problem, the nonlinear equations of the system are assumed as constraints, and a minimum energy objective function is defined. To solve the problem, an indirect solution of the optimal control method is employed, and conditions of the optimality derived as a set of coupled nonlinear differential equations. The optimality equations are solved numerically, and various simulations are performed for a nonholonomic mobile robot to illustrate effectiveness of the proposed method.     

多移动微小型机器人编队控制与协作避碰研究

针对多移动微小型机器人系统的协作避碰和队形保持,给出了一种分布式的编队控制方法。结合移动微小型机器人的运动控制模型,提出了一种路径规划方法,使其在运动中实时避免碰撞。在此基础上利用李雅普诺夫(Lyapunov)法设计了一种编队控制器。在有界误差范围内,该控制器能够保证多机器人的轨迹跟踪和协作避碰。通过将编队控制转化为跟踪整个队形质心的轨迹,降低了控制的复杂度,从而可以较好地应用到计算资源有限的多移动微小型机器人中。通过仿真、分析和对比,对以上控制方法的稳定性和可行性进行了验证,并进行了实际的编队和避碰控制实验。实验结果表明该方法可有效地应用于多移动微小型机器人的协作避碰和编队控制。