基于扰动观测器的铆接机器人轨迹跟踪控制

为解决铆接机器人工作时外部干扰造成系统抖震大，轨迹跟踪精度较低问题，设计一种扰动观测器与分数阶滑模控制器组合的自适应控制方法。首先，通过引入时延估计策略建立铆接机器人的局部动力学模型，利用扰动观测器实时观测系统模型所受的可见干扰；其次，针对系统产生的抖震问题，设计分数阶滑模面替代传统滑模控制，采用新型趋近律使系统在切换面上能够连续平稳运动，针对系统所受的不可见干扰，设计自适应策略实现对外部干扰的完全补偿；最后，通过Lyapunov函数证明所设计控制器的有效性。以三自由度机器人进行仿真及实体试验，结果表明，相较于分数阶滑模控制，采用该控制器后机器人各关节的追踪误差峰值分别下降了50%,59%和63%,从而验证了该控制器不仅能有效消除系统所受较大干扰产生的抖震问题，而且提高了铆接机器人作业时的鲁棒性和轨迹跟踪精度。     

不同重力环境下的柔性关节空间机械臂自适应鲁棒控制

研究了柔性关节空间机器人在不同重力环境下的轨迹跟踪控制。首先建立了地面重力环境下和空间微重力环境下的柔性关节机器人模型,这两个模型均考虑了摩擦带来的影响,然后提出一种基于奇异摄动理论的自适应鲁棒控制柔性关节空间机械臂的方法。该方法为被控对象中的重力项设计了自适应律来实时估计补偿,并加入鲁棒项对逼近误差和其它干扰项进行补偿。用该方法设计了控制器系统,并对其进行了稳定性分析和仿真研究。仿真结果表明,该控制器可以有效消除重力环境变化带来的影响,也可以有效抑制柔性关节引起的系统高频谐振等问题,具有很好的跟踪效果,对柔性关节空间机器人的轨迹跟踪控制具有重要的工程应用价值。     

基于五次多项式的码垛机器人轨迹规划

目的为了实现多轴码垛机器人速度和加速度变化曲线光滑、稳定,简化轨迹规划算法。方法介绍码垛机器人结构,并在码垛机器人结构基础上对码垛机器人运动进行分析,在关节空间下提出一种五次多项式插值的码垛机器人轨迹规划方法,利用五次函数对码垛机器人各个关节速度和加速度进行拟合插值。结果仿真结果表明,五次多项式轨迹规划方法拟合曲线更加光滑,同时保证速度和加速度无突变,保证了码垛机器人运动过程更加平稳。结论该轨迹规划方法能够保证码垛机器人按照预定的轨迹实现速度和加速度的平滑过渡,提升了码垛机器人运动精度。     

机器人关节摩擦建模与自适应RBF神经网络补偿计算力矩控制

目的:补偿机器人关节摩擦力矩,提高关节轨迹跟踪效果。方法:以直流伺服电机和谐波减速器组成机器人关节为对象,基于Stribeck模型建立摩擦模型;采用最小二乘法和Matlab编程辨识模型参数;利用自适应RBF神经网络算法对系统模型参数误差引起的未建模动态进行在线观测;将观测结果补偿到计算力矩控制器中,建立含摩擦模型的自适应RBF神经网络补偿计算力矩控制器,推导出控制参数的约束条件。结果:基于自主设计的机器人关节进行对比实验。实验表明,含摩擦模型的自适应RBF神经网络补偿计算力矩控制追踪误差是无摩擦模型的自适应RBF神经网络补偿计算力矩控制追踪误差的55.12%,是传统计算力矩控制追踪误差的31.28%。结论:本文的控制方法提高了机器人关节轨迹跟踪精度。     

基于奇异摄动法的FFFSR全局滑模跟踪控制及ESO振动抑制

针对存在参数不确定性和有界干扰的情况,讨论了自由漂浮柔性空间机器人(FFFSR)关节轨迹跟踪控制与柔性振动主动抑制的问题。利用奇异摄动法将系统分解为关节轨迹跟踪的慢变子系统和描述柔性振动的快变子系统,进而提出含慢、快变控制项的组合控制器;设计一种改进的全局滑模函数,利用低通滤波器抑制滑模抖振,实现全局鲁棒、快速收敛的关节轨迹跟踪;对于快变子系统,采用扩张状态观测器(ESO)对不易测量的柔性模态坐标导数和不确定扰动进行估计,并结合LQR方法,对柔性振动进行主动抑制。数值仿真表明,该组合控制器可以在有效抑制柔性振动的同时实现对期望关节轨迹的稳定跟踪。     

基于三次样条曲线的码垛机器人平滑轨迹规划方法

以混联式圆柱坐标码垛机器人为对象,研究了高速码垛机器人在关节空间内快速平稳的轨迹规划问题。首先应用三次样条曲线对机器人轨迹进行规划,其次以路径点的逼近程度与轨迹曲线的参数连续性为参考,建立了机器人平滑轨迹优化模型,得到了基于三次样条曲线的码垛机器人平滑轨迹。仿真结果表明,给定不同的曲线最大拟合误差,机器人的运动轨迹优化效果不同,验证了该轨迹规划方法能够兼顾码垛机器人的运动平稳性与轨迹平滑连续的控制要求,减小其在加、减速过程中产生的机械振动。     

新型变倾斜参数S型函数的积分滑模水下机器人控制方法研究

研究了水下机器人轨迹的滑模跟踪控制。针对滑模抖动对系统稳定性的影响,设计了一种基于变倾斜参数sigmoid函数的积分滑模切换函数。基于这个函数设计的控制器在避免抖振现象的同时,保持了高控制精度,且能抑制传统积分滑模控制器常见的超调现象。该控制方法有效性已通过理论证明和仿真实验得到了验证。     

一种FFFSR轨迹跟踪及振动抑制的改进预测控制方法

讨论了动力学约束和有界扰动条件下,自由漂浮柔性空间机器人(FFFSR)关节轨迹跟踪控制与柔性振动抑制的问题。提出一种基于预测控制的优化控制器设计方法,分别设计了跟踪控制器和轨迹规划器。跟踪控制器采用广义预测控制方法,生成使机械臂快速稳定跟踪期望轨迹的优化控制律;改进常规获取期望轨迹的柔化控制方法,设计基于约束预测控制方法的轨迹规划器,综合考虑动力学约束与柔性振动抑制,实时为跟踪控制器生成由初始位置到目标位置的优化期望轨迹,确保机械臂快速稳定跟踪到目标位置,并有效抑制柔性振动。数值仿真结果验证了所设计控制策略的可行性与有效性。     

伸缩因子优化机械臂轨迹跟踪控制的误差分析

提出了一种通过伸缩因子在线调节论域来优化机械臂轨迹跟踪控制的变论域模糊控制方法。首先设计了一种与关节角度偏差和偏差变化率动态加权相关的比例-指数混合型伸缩因子;然后,运用时间最优轨迹规划算法获取机械臂笛卡尔空间的期望关节轨迹;最后,基于所设计的变论域模糊控制器实现了一种三关节机械臂轨迹跟踪控制仿真,并分析了轨迹跟踪误差。仿真结果表明: 所设计的基于比例-指数混合型伸缩因子的变论域模糊控制器应用于机械臂轨迹跟踪的控制效果良好,具有响应速度快、无超调、稳态误差小的优点。     

柔性空间机器人基于关节柔性补偿控制器与虚拟力概念的模糊全局滑模控制及振动主动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节;由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够;为此讨论了参数不确定情况下柔性关节、柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动控制方案设计和以及臂、关节双重柔性振动的分阶主动抑制问题。依据线动量、角动量守恒关系并基于拉格朗日方程、线性扭转弹簧及假设模态法推导了系统动力学模型;以此为基础;针对空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入了关节柔性补偿控制器并结合奇异摄动技术将整个系统分解成独立时间尺度的电机力矩动力子系统和柔性臂子系统;针对电机力矩动力子系统,设计了力矩微分反馈控制器来抑制关节柔性引起的系统弹性振动;针对柔性臂子系统,提出了一种基于虚拟力概念的自适应模糊全局滑模控制方案,由于运用了虚拟力的概念,从而通过仅设计一个控制输入就可达到既跟踪期望轨迹又抑制柔性臂柔性振动的控制目标。计算机数值仿真对比实验证实了该方法的可靠性和有效性。     

Hybrid force/position control scheme for flexible joint robot with friction between and the end-effector and the environment

In this paper a novel adaptive-sliding mode control design is developed for trajectory tracking of a class of flexible robots. This control design uses a force/position controller for robots with flexible joints where the friction between the end effector and the environment is taken into account. For systematic reasons the controller is designed considering the rigid links subsystem and the flexible joints. The proposed control system, satisfies the stability of the two subsystems and cope with the uncertainty of the robot dynamics. The feedback for the flexible subsystem is based on the joint torque signal and estimation of the torque derivative which is provided by a nonlinear sliding observer. For the stability of the observer, it is assumed that the uncertainty of the observed system is bounded. A MRAC algorithm is used for the estimation of the friction forces at the contact point between the end effector and environment. Finally simulation results are given to demonstrate the effectiveness of the proposed controller.     

Novel algebraic meal disturbance estimation based adaptive robust control design for blood glucose regulation in type 1 diabetes patients

This study designs a robust closed‐loop control algorithm for elevated blood glucose level stabilisation in type 1 diabetic patients. The control algorithm is based on a novel control action resulting from integrating algebraic meal disturbance estimator with back‐stepping integral sliding mode control (BISMC) technique. The estimator shows finite time convergence leading to accurate and fast estimation of meal disturbance. Moreover, compensation of the estimated disturbance in controller provides significant reduction in chattering phenomenon, which is inherent drawback of sliding mode control (SMC). The controller is applied to one of the most reliable models of type 1 diabetic patients, named Bergman''s minimal model. The effectiveness and superiority of the designed controller is shown by comparing it to classical SMC and super‐twisting sliding mode control. The designed controller is subject to three different cases for detailed analysis of the controller''s robustness against meal disturbance. The three cases considered are hyperglycaemia, hyperglycaemia combined with meal disturbance and three meal disturbance. The simulation results confirm superior performance of algebraic disturbance estimator based BISMC controller for all the cases mentioned above.Inspec keywords: closed loop systems, robust control, sugar, medical control systems, variable structure systems, control system synthesis, blood, nonlinear control systems, adaptive control, diseasesOther keywords: adaptive robust control design, blood glucose regulation, type 1 diabetes patients, closed‐loop control algorithm, elevated blood glucose level stabilisation, type 1 diabetic patients, novel control action, algebraic meal disturbance estimator, mode control technique, accurate estimation, estimated disturbance, super‐twisting sliding mode control, algebraic disturbance estimator, BISMC controller, algebraic meal disturbance estimation, back‐stepping integral sliding mode control technique     

欠驱动搬运机器人轨迹跟踪控制

目的为了解决欠驱动搬运机器人的中心和质心不重合的轨迹跟踪问题。方法建立非完整性约束的欠驱动机器人的运动学和动力学的模型,基于反步法控制策略生成新的虚拟反馈量,设计跟踪控制器,同时,利用自适应技术对具有不确定跟踪控制器的参数进行校正,通过Lyapunov理论验证控制器的稳定性。结果仿真实验结果表明,欠驱动搬运机器人的实际轨迹可以快速地跟踪期望轨迹,验证了基于反步法设计的跟踪控制器的可行性和有效性。结论设计的控制器能够使搬运移动机器人达到良好的轨迹跟踪效果,并且保证了控制器的自适应性。     

不同重力条件下含铰间间隙空间机械臂PD~μ-SMC轨迹跟踪控制

研究了重力对含铰间间隙空间机械臂的轨迹跟踪控制的影响。针对空间机械臂在安装、调试阶段处于地面重力环境,在应用过程中处于空间微重力环境,重力环境的改变会使得在地面设计、装配、调试好的控制器在空间应用时达不到良好的控制精度和效果的问题,设计了不需被控对象模型的分数阶PD滑模控制器(PDμ-SMC)对含铰间间隙空间机械臂进行控制,并基于李亚普诺夫理论证明了渐近稳定性。仿真结果表明该控制策略能有效地抑制外部干扰,实现含铰间间隙空间机械臂在不同重力环境及存在外部扰动情况下仍然能对期望轨迹进行准确快速跟踪。     

面向大型机场草坪的割草机器人路径规划及轨迹跟踪控制研究

为了提高割草机器人的工作效率及环境适应能力,基于移动机器人平台设计了一种既受遥控操作又能自主运行的适用于大型机场草坪作业的割草机器人。首先,运用高精度差分GPS（global positioning system,全球定位系统）采集机场草坪边界和障碍物的位置信息,根据采集的信息将机场草坪分为最少数目的凸多边形工作区域;考虑到割草机器人无法原地无半径转弯,在传统迂回式路径规划算法的基础上提出一种往返直线型路径规划算法,并在凸多边形路径规划区内推导出遍历路径的显示方程表达式。其次,运用高精度差分GPS测得割草机器人实际轨迹并与规划轨迹对比,设计了一种区间判断型轨迹纠偏算法;以执行电机的PID（proportion integration differentiation,比例积分微分）控制和区间判断型轨迹纠偏算法构造割草机器人双闭环轨迹跟踪控制器,对按传统迂回式路径和往返直线型路径行进的割草机器人进行轨迹跟踪仿真分析。最后,以自制的割草机器人为例,按往返直线型路径运行方式进行样机实验。仿真结果发现：当割草机器人跟踪当前路径到达终点后会自动调头跟踪下一条路径,验证了轨迹跟踪算法的稳定性;传统迂回式路径运行方式下割草机器人的漏割率较高,达到46.42%,而往返直线型路径运行方式下其漏割率为7.15%,明显优于传统迂回式路径仿真结果。样机实验测得的漏割率为8.89%,与仿真实验结果一致,表明所设计的轨迹跟踪算法对大型机场草坪作业割草机器人是适用的。研究结果可为大型机场草坪割草机器人的开发提供理论指导。     

基于模糊迭代Q-学习的冶金工业机器人轨迹跟踪控制研究

冶金工业机器人在现代工业生产中扮演着越来越不可替代的角色。由于工业自动化程度的大幅提升,人们对冶金工业机器人的性能也不断地提出新要求,尤其是对其控制系统的稳定性提出了更高的要求。针对目前冶金工业机器人轨迹跟踪精度较低且不具有自适应动态调节特性等问题,提出了一种模糊迭代Q-学习控制算法。以6-DOF（six degree-of-freedom,六自由度）双臂机器人为研究对象,利用Fuzzy工具箱编写模糊控制规则,以机器人产生的位置误差以及位置误差的变化率为模糊控制器的输入量,并引入Q-学习策略,以调整模糊控制器中的量化因子、比例因子以及迭代学习控制中的PD（proportional derivative,比例微分）参数,完成模糊迭代Q-学习控制器的设计。然后,联合ADAMS（automatic dynamic analysis of mechanical systems,机械系统动力学自动分析）和MATLAB软件搭建6-DOF双臂机器人仿真平台,开展高精度轨迹跟踪的轴孔装配任务模拟。仿真结果表明,6-DOF双臂机器人关节空间的轨迹跟踪精度较高,同时可以完成双臂轴孔协调装配任务,验证了所提出控制算法的有效性和先进性。研究结果可为双臂协作机器人实现高精度轨迹跟踪的轴孔装配提供参考,具有一定的实际应用价值。     

基于S型曲线的包装堆垛机器人轨迹规划

目的为了保证包装堆直角坐标堆垛机器人系统能够平滑、稳定、高速运行,避免机器人出现速度、加速度的突变,并对机器人轨迹进行规划。方法首先分析直角坐标机器人的运动过程,在此基础上提出一种基于多项式的S型曲线包装堆垛机器人轨迹规划方法,并设计机器人控制系统,利用威纶TK6050ip触摸屏对机器人进行监控和参数设定,采用西门子S7-200 PLC和EM253位置控制模块实现对机器人速度和位置的控制,最后对机器人运动轨迹进行仿真实验分析。结果仿真实验结果表明,该轨迹规划方法能够保证机器人速度和加速度无突变,确保了机器人平滑稳定运行。结论该控制系统有效提高了包装堆垛机器人的运行效率,对于机器人稳定可靠运行具有重要意义。     

考虑间隙的叶片辊轧机轧辊调整机构滑模控制研究

针对间隙对叶片辊轧机轧辊左右调整机构造成振动冲击的问题,建立了轧辊调整机构的动力学模型,采用微分几何反馈线性化方法对该动力学模型进行线性化解耦处理。在此基础之上,设计了基于干扰观测器的滑模控制器,利用MATLAB/Simulink软件对滑模控制过程进行跟踪仿真,并将滑模控制算法应用于叶片轧制现场,验证了滑模控制的有效性。研究结果表明,采用基于干扰观测器的滑模控制算法可以实现系统轨迹的高精度跟踪。所设计的的滑模控制器可以很好地实现对轧辊调整机构的控制,提高轧辊位置调整精度,从而提高叶片加工精度。