柔性臂空间机器人的神经网络自适应控制及振动模态分级模糊控制

由于太空中的在轨作业一般要求空间机器人具有手臂长、负载大,对空间机器人动力学及控制进行分析时必须考虑到机械臂杆件的柔性问题。为此探讨了参数未知柔性臂空间机器人载体姿态、关节协调运动控制及柔性振动抑制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用Lagrange方法建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学方程。运用奇异摄动理论的双时间刻度分解,导出了适用于控制系统算法设计的奇异摄动数学模型。利用该模型,针对慢时标子系统——等价刚性空间机械臂,设计了系统参数不确定情况下的径向基函数神经网络补偿控制算法,以控制柔性臂空间机器人的载体姿态及机械臂关节铰协调地来完成各自在关节空间的期望运动;神经网络控制算法的研究目的是基于神经网络良好的在线自学习能力,大大提高整个系统的控制精度。针对快时标子系统——柔性臂的振动,设计了分级模糊控制算法来主动抑制柔性杆的振动。分级模糊控制算法的研究目的是为了减少模糊规则库的大小,有效提高模糊控制器的计算效率。通过计算机仿真验证了提出方法的有效性和可行性。     

冗余度柔性协调操作机器人的动力规划

以冗余度柔性机器人各杆件的最大动应力及系统最大动应力的分配为约束条件，提出了不同目标的改进的初始位形规划法和多目标规划法，对冗余度柔性协调操作机器人系统进行动力学规划，有效地降低了冗余度柔性协调操作机器人各杆件的驱动力矩、功率和最大动应力。同时，多目标规划法也降低了关节驱动力矩和系统位置误差的平均值。规划后的关节角加速度规律比较容易实现。     

载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控的飘浮基柔性空间机器人的Terminal滑模控制问题。为讨论既有柔性关节又有柔性臂的欠驱动系统,以一个具有两个柔性关节和一个柔性臂的飘浮基空间机器人为例,首先利用拉格朗日方程并结合系统总质心定义,得到了系统的动力学方程,然后利用奇异摄动法,将柔性空间机器人系统分解为一个柔性空间机械臂子系统和一个柔性关节快变子系统。以此为基础,提出了一种包含柔性空间机械臂子控制项和柔性关节快变子控制项的组合控制器。其中,柔性空间机械臂Terminal滑模子控制项实现了机械臂关节铰期望轨迹的跟踪,柔性关节快变子控制项使得快变子系统稳定在由柔性空间机械臂子控制项产生的机械臂关节轨迹上。系统的数值仿真结果表明,该方法能在抑制柔性关节的柔性振动的同时跟踪上机械臂关节期望轨迹。该控制方案的显著优点为不需要测量、反馈载体的位置、移动速度、移动加速度,同时可保证机械臂关节铰跟踪误差在任意指定有限时间内收敛到零。     

漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人运动非线性滑模控制及双重弹性振动主动抑制

讨论了漂浮基柔性关节-柔性臂空间机器人系统的动力学建模过程、运动控制律设计及关节和臂双重弹性振动的抑制问题。利用动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法对系统进行动力学分析,并建立系统动力学方程。基于奇异摄动法,将系统分解为三个相互独立的子系统：仅表示系统刚性运动的“刚性关节-刚性臂”慢变子系统、仅表示柔性关节引起的系统弹性振动的“柔性关节-刚性臂”快变子系统和仅表示柔性臂引起的系统弹性振动的“刚性关节-柔性臂”快变子系统。分别针对三个子系统设计适当的控制律,其中非线性滑模控制方法用来实现空间机器人期望运动轨迹的渐近跟踪,速度差值反馈控制器用来抑制柔性关节引起的系统弹性振动,线性二次型最优控制器用来抑制柔性臂引起的系统弹性振动。因此,系统的总控制律为三个子系统的控制律组成的混合控制律。仿真实验证明所提出的混合控制律能够保证系统的控制精度,且能够有效地抑制柔性关节和柔性臂引起的系统弹性振动。     

柔性冗余度机器人的可操作性桑度的研究

把机器人操作器的杆件的柔度按照势能等效原理附加到杆件的伺服关节柔度上,称为等效关节柔度;利用操作器的关节空间和直角坐标空间的对偶关系,得到操作器末端的等效柔度矩阵,并提出了综合柔度的概念,以表明操作器末端柔度大小;结合冗余度机器人操作器的可操作性能,提出了在柔性冗余度机器人中操作器的柔性和可操作性对其性能的综合影响指标——可操作性柔度。通过调整冗余度机器人的"自运动"最小化可操作性柔度,从而取得具有较低的柔性和较好的操作性能的操作器的最佳工作姿态,为柔性冗余度机器人的控制提供了依据。     

柔性机器人臂协调操作的协调性

针对具有柔性臂和柔性关节的机器人协调操作刚性负荷，由载荷分配法分配载荷，以物体实际的质心位置为边界条件并且等于期望的轨迹，建立了具有柔性臂和柔性关节的机器人臂协调操作的逆动力学模型。这种基于绝对坐标的逆动力学模型可使各协调机器人保持很好的协调，并且较准确地实现期望轨迹。通过与通常的方法相比，分析了影响机器人协调操作的协调性的因素，实例验证了有效性。     

柔性冗余度机器人的可操作性柔度的研究

把机器人操作器的杆件的柔度按照势能等效原理附加杆件的伺服关节柔度上,称为等效关节柔度;利用操作器的关节空间和直角坐标的空间的对偶关系,得到操作器末端的等效柔度矩阵,并提出了综合柔度的概念,以表明操作器末端柔度大小;结合冗余度机器人操作器的可操作性能,提出了在柔性冗余度机器人中操作器的柔性和可操作性对其性能的综合影响指标－－可操作性柔度。通过调整冗余度机器人的“自运动”最小化可操作性柔度,从而取得具有较低的柔性和较好的操作性能的操作器的最佳工作姿态,为柔性冗余度机器人的控制提供了依据。     

欠驱动柔性机器人的动力学建模与耦合特性

运用有限元法,建立具有柔性杆的欠驱动机器人的动力学一般模型。以此模型为基础,分析系统的主动与被动关节的加速度耦合和被动关节与驱动力矩的动力学耦合效应,并针对欠驱动柔性机器人,提出柔性杆弹性变形分别与主动关节、被动关节动力学耦合的新指标。将欠驱动柔性机器人的被动关节加速度耦合和力矩耦合仿真结果与刚性系统相比较,在某个驱动器位置,柔性系统得到较大的耦合值,说明此时柔性系统更加有利于能量的传递,体现了杆件的弹性变形对系统动力学特性的影响。同时,数值仿真还表明这些动力学耦合指标对欠驱动机器人的结构设计、位形设计、驱动装置位置及系统控制都具有重要意义。     

冗余度双臂机器人协作策略下实时避障算法

针对冗余度双臂机器人协调操作过程中机械臂本体避障及躲避环境障碍问题,提出了基于冗余机械臂自运动特性的双臂机器人协作策略下实时避障算法。首先,利用障碍物在机械臂连杆上的投影矢量筛选掉不会避碰杆件,再计算可能避碰杆件与障碍物的最短距离;其次,根据双臂协作的运动学约束关系,得到冗余度双臂机器人协调搬运避障的运动学逆解;再次,引入梯度“安全距离”和两个避障因子,实时改变机械臂的避障速度,使机器人末端完成协作任务以及双臂实时自避碰及躲避环境障碍物的任务;最后,利用冗余度双臂机器人进行仿真及实验。结果表明：双臂机器人末端执行器执行协作任务的同时机器人双臂可以躲避障碍物,且各关节运动连续、平稳。     

双柔性臂机器人的建模和主动振动控制

针对双柔性臂机器人在操作过程中出现的结构振动和残余振动影响控制精度的问题,提出了采用多组压电换能器对柔性臂进行主动振动的控制方法.设计了基于超声电机驱动的双柔性臂机器人,采用拉格朗日法和假设模态法对双柔性臂进行了动力学建模,并考虑了在协作搬运过程中双柔性臂机器人需要满足的闭链约束条件.提出了采用独立关节PD反馈控制器和正位置反馈控制器相结合的混合控制方法.Matlab仿真表明,所提出的混合控制器能使柔性机器人在准确完成目标物体轨迹运动的同时,实现对柔性臂的振动抑制,提高了双柔性臂机器人的搬运精度和效率.     

柔性机器人协调操作的动力学建模和轨迹跟踪

首次基于绝对坐标 ,建立了具有柔性关节和柔性臂的机器人协调操作刚性负载的动力学模型。由此推导出了协调操作的正动力学模型。由提出的载荷分配方法 ,以被操作物体质心的实际位置而不是名义刚性位置跟踪期望轨迹 ,建立了柔性机器人协调操作的逆动力学模型。此方法可使机器人非常准确地实现期望轨迹。文中就两个具有柔性关节和柔性臂的机器人协调操作刚性负载为例 ,验证了本方法的有效性     

受限柔性机器人臂的动力学分析

针对柔性机器人臂操作受作业环境约束的刚性负载，建立了系统的动力学模型。根据物体与作业环境的约束关系。推导出系统的正动力学模型。以期望的被操作物体的轨迹和物体与环境的作用力为边界条件，推导出系统的逆动力学模型，由此所求出的柔性机器人臂的输出关节角和关节驱动力矩可使机器人臂操作物体准确地实现期望轨变和与环境的作用力，并就具有三柔性杆机器人臂操作刚性负载进行了仿真，验证了方法的有效性。     

柔性机器人的动态应力计算及疲劳特性分析

为了描述柔性机器人的动态应力状况和疲劳特性,将柔性机器人的动态应力计算与疲劳特性分析相结合,形成一种柔性机器人动态应力疲劳分析方法。分析了柔性机器人杆件的弹性变形与弹性位移的关系,计算了杆件的弹性变形及动态应力,通过计算杆件动态应力造成的疲劳损伤,预测其疲劳寿命,并根据疲劳强度计算杆件的工作安全系数。以柔性平面3-RRR并联机器人为例,说明杆件的动态应力计算和疲劳特性分析对动力学分析和设计的重要意义。     

具有关节柔性和臂柔性的机器人操作受限物体的动力学建模

针对具有柔性关节和柔性臂的机器人操作受作业环境约束这种情况,基于绝对坐标建立了系统的动力学模型。根据物体与作业环境的约束关系,推导出系统的正动力学模型。以期望的被操作物体的轨迹和所期望的物体与环境的作用力为边界条件,推导出了系统的逆动力学模型。对于给定的任务,所提出的逆动力学模型可求出柔性机器人的理想输入。而所提出的正动力学模型可用于数值仿真。通过对具有三柔性关节和三柔性臂的机器人臂进行仿真,验证了该方法的有效性。     

柔性机器人协调操作的冗余驱动

针对具有柔性关节和柔性臂的机器人协调操作刚性负载时,其逆动力学问题存在冗余驱动这种情况,提出了一种载荷分配方法。将这种分配方法与基于绝对坐标并以期望轨迹为实际边界条件的逆动力学模型相结合,可以有效地解决冗余驱动问题。文中就两个具有柔性关节和柔性臂的３Ｒ机器人协调操作刚性负载为例,验证了本方法的有效性。     

基于柔性多体动力学的机械臂结构优化设计

针对柔性关节对工业机器人动力学特性的影响,基于“转子-扭簧”模型和有限元法,研究关节刚度对机械臂固有动力学特性的影响规律;考虑臂杆柔性和关节柔性,建立了机械臂多柔体动力学有限元模型,以机械臂轻量化为设计目标,以末端总位移量为约束条件对机械臂结构进行优化。研究结果表明,不同关节刚度对机械臂各阶固有频率的影响不同,优化后的机械臂载重/自重比增大,刚度和强度均得到提高,整体动力学性能明显提高。     

用李群李代数分析具有空间柔性变形杆件的机器人动力学

用李群李代数理论方法研究具有三维空间柔性变形杆件的机器人的动力学分析问题。首先用李群李代数法描述空间二柔性杆件机器人的运动学,然后给出空间柔性杆件微小段的质量密度和刚性密度,通过积分得到空间二柔性杆件的动能和势能。用Rayleigh-Ritz方法进一步研究柔性杆件动力学,并用MATHEMATICA软件仿真 分析机器人末端点的空间变形和空间位置,与ANSYS/ADAMS联合仿真的结果进行对比,证明了建模方法的有效性。     

改进型PYR全方位关节及在柔性臂中的应用

深入剖析了PYR型关节机构,在总结以往研究基础上集中解决该类手腕、关节机构的进一步小型化以及存在的刚度问题,研制出了新型PYR关节及手腕机构;基于模块化、组合式设计思想,研制了七自由度仿人手臂。本研究的意义还在于,基于这种小型化、模块化的PYR关节,很容易设计、研制多自由度柔性手腕、机器人柔性臂,从而为汽车、空间领域提供高灵活性的机器人新机构。     

基于绝对坐标的柔性机器人逆动力学建模和轨迹跟踪

采用了 Timoshenko梁理论和有限元法 ,由 L agrange方程建立了基于绝对坐标的柔性机器人逆动力学模型。由提出的非线性方程数值解法 ,求解出柔性机器人的输入关节角或驱动力矩 ,以此作为输入参量 ,可使机器人能够非常准确地跟踪末端轨迹。文中就三柔性臂机器人进行了仿真 ,验证了本方法的有效性     

六自由度柔性关节机械臂的动力学分析

大多数的机器人都是在刚体动力学假设的基础上进行运动控制设计的,因此其在实际操作中的精度和效率受到一定的限制,而柔性机械臂可以很好地解决此类问题。首先给出了六自由度的柔性关节机械臂的简化模型,利用拉格朗日方法建立其动力学方程;然后以单自由度柔性关节机械臂为例,基于神经网络反演法对其控制率进行了设计;最后基于Simulink验证了控制器设计的有效性。