基于轨迹规划的平面三连杆欠驱动机械臂位置控制

针对中间关节为欠驱动的二阶非完整平面三连杆机械臂,提出一种基于轨迹规划的末端点位置控制策略.首先,建立系统的动力学模型,并根据几何关系利用差分进化算法求取所有连杆与目标位置相对应的目标角度;然后,根据驱动关节与欠驱动关节的耦合关系,采用时间缩放法和双向法分别规划两根驱动连杆的两条轨迹,并利用遗传算法优化合适的第1连杆中间位置,将两条轨迹拼接成一条完整可达轨迹;最后,设计滑模变结构控制器以跟踪完整可达轨迹,实现系统从初始位置到目标位置的控制目标.数值仿真结果表明了所提出控制策略的有效性.     

无杆气缸驱动的柔性机械臂振动控制

提出了一种无杆气缸驱动的柔性机械臂定位和振动抑制系统,采用脉冲码调制(pulse code modulation,PCM)方法实现.首先,推导了气动驱动柔性臂的系统模型,对采用的复合定位和振动抑制控制算法进行理论分析.其次,气缸行程长、气体具有压缩性以及气动驱动存在非线性和阀门开关有时延等因素会引起控制作用的滞后问题,容易激发高阶模态的极限环振荡,导致观测和控制溢出,这将影响控制系统的稳定性.为了克服上述问题,在控制算法中引入时延补偿、低通滤波法.最后,进行气动驱动柔性臂同时定位和振动抑制的试验研究.试验结果表明,采用的气动驱动控制方法可以有效地抑制柔性臂的低频模态振动,并同时实现定位.     

压电柔性机械臂的主动振动控制研究

针对柔性机械臂的振动问题,采用压电智能结构作为敏感器和驱动器进行主动控制.首先建立柔性机械臂的实验装置,其次对设计的柔性机械臂系统进行辨识研究,得到系统的前二阶模态频率,再次采用PD控制和PPF控制算法对柔性机械臂进行主动振动控制.实验结果表明,采用压电智能结构可以抑制柔性机械臂的振动,效果明显.     

基于粒子群优化的刚柔混合机械臂振动抑制规划

提出基函数叠加与粒子群优化(PSO)相结合的振动抑制轨迹规划方法.首先推导了各关节变量与模态坐标的关系,采用正弦-梯形函数作为基函数构造各关节的角速度,其中基函数的系数和幅值为待定参数;然后将末端振动最小化轨迹规划转换为待定参数的优化问题,并采用PSO算法获得待定参数的最优值;最后以双杆刚柔混合机械臂为例开展仿真研究.仿真结果表明,所提出的方法大大减小了机械臂末端的残留振动.     

垂直三连杆欠驱动机械臂通用控制策略设计

本文针对一类含单一欠驱动关节的垂直三连杆欠驱动机械臂提出一种基于振荡衰减轨迹的通用控制策略.与传统的分区控制策略相比,本文控制策略无需采用分区方式就能快速地实现将机械臂末端点由垂直向下初始位置开始移动,并最终稳定在垂直向上目标位置的控制目标.首先,根据驱动连杆的初始和目标状态,为驱动连杆规划含可调参数的振荡衰减轨迹.该轨迹能够在一定调节时间内将驱动连杆直接由初始状态移动至目标状态.基于连杆状态间的耦合关系,利用粒子群优化算法优化轨迹参数使欠驱动连杆在相同调节时间内也运动至目标状态.接着,利用滑模方法设计跟踪控制器使驱动连杆跟踪优化后的振荡衰减轨迹,这样,系统末端点将由初始位置移动至目标位置.进一步利用极点配置方法设计镇定控制器克服重力的作用将末端点稳定在目标位置.最后,通过仿真实验验证所提控制策略的有效性.     

柔性机械臂的变结构振动控制研究

当机械臂的质量很轻,尤其是空间应用场合,机器人系统将受到高度柔性限制并且不可避免地产生机械振动.本文为了证实提出的控制不期望残余振动的方法,设计并建立了柔性机器人实验平台.控制方案采用交流伺服电机通过谐波齿轮减速器驱动柔性机械臂,利用粘贴在柔性臂上的压电陶瓷片(PZT)作为传感器来检测柔性臂的振动.对由于环境激励,尤其是在电机转动(机动)时由于电机力矩产生的振动,采用了几种主动振动控制器包括模态PD控制,软变结构控制(VSC)和增益选择变结构方法,进行柔性臂的振动主动控制实验研究.通过实验比较研究,结果表明采用的控制方法可以快速抑制柔性结构的振动,采用的控制方法是有效的.     

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.     

基于压电陶瓷的柔性机械臂主动振动控制实验研究

柔性机构因其工作效率高,能量消耗低和结构简单等优点被广泛应用于机器人领域.但柔性机构由于刚度较低,易产生弹性振动,使机器人的定位精度和运动精度降低.为了验证在前期的工作中提出的柔性机械臂主动振动最优控制位置分析的正确性,搭建了一个基于Labview的测试系统.在柔性臂上不同位置粘贴压电片来实现对柔性臂不同位置的主动振动控制,通过测试系统得到最优控制位置处和最优控制位置附近的柔性机械臂振动的传感电压,根据控制前后传感电压的变化分析柔性臂抑制的强弱.根据实验结果显示,柔性臂在前三阶振动下,分别在其最优控制位置上获得最高的抑振率,从而验证了最优控制位置的有效性.     

柔性机械臂的双时间尺度组合控制

本文研究柔性机械臂的轨迹跟踪和振动抑制问题. 首先, 利用Lagrange法和假设模态法建立柔性机械臂的动态模型, 进而利用奇异摄动理论得到柔性机械臂的双时间尺度模型. 然后, 基于慢时间尺度模型利用滑模控制理论设计轨迹跟踪控制器; 借助于快时间尺度模型利用自适应动态规划设计参数不精确已知情况下的最优振动抑制控制器; 将二者相结合, 构造双时间尺度组合控制器, 利用奇异摄动理论证明闭环系统稳定. 最后, 在Matlab/Simulink环境下进行实验, 与现有方法相比, 本文设计的控制器对柔性振动具有更好的振动抑制效果, 跟踪精度更高.     

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。     

Vibration control for a nonlinear three-dimensional flexible manipulator trajectory tracking

This paper proposes an innovative approach to the trajectory tracking in three-dimensional space and vibration control problems in the presence of a nonlinear three-dimensional flexible manipulator based on the partial differential equation model. Unlike two-dimensional plane, we select spherical coordinates to describe the position of the end point in three-dimensional space. This novel approach makes it possible to realise the trajectory tracking by controlling the two angles in spherical coordinates, meanwhile, a vibration control scheme is proposed to restrain vibrations. In addition, the existence and uniqueness of solutions are demonstrated. Finally, the performance of the desired trajectory tracking, the proposed vibration control scheme and their convergence properties are demonstrated by numerical simulations.     

大型挠性空间机械臂振动抑制的一种关节控制策略

大型空间机械臂在操作过程中,一个突出的问题是超低频挠性,不仅存在机械臂的弯曲振动,而且还存在关节的扭转变形振动;另外一个不能忽视的问题就是减速器的扭矩传递特性,以及机械臂关节运动与基座扰动（空间站）之问的耦合特性,这就要求根据关节结构和传感器配置实现关节位置控制,同时稳定和衰减机械臂及其关节的低频挠性振动．本文运用集中参数法对空间机械臂的挠性动力学进行建模,设计了工程可实现的单个关节控制策略及其控制律,分析和数值仿真了其稳定性,对未来空间站的大型挠性空间机械臂设计、动力学与控制的研究具有一定的参考价值．     

Dynamic modeling and vibration control for a nonlinear 3‐dimensional flexible manipulator

In this paper, the control design and stability analysis are presented for a 3‐dimensional flexible manipulator system with input disturbances. To provide an accurate and concise representation of the manipulator's dynamic behavior, the flexible manipulator is described by a distributed parameter system with a set of partial differential equations and ordinary differential equations. Boundary control laws with disturbance observers are proposed to regulate orientation and suppress elastic vibrations simultaneously. The closed‐loop stability is achieved through rigorous analysis without any simplification of the dynamics based on the Lyapunov direct method. Numerical simulations demonstrate the effectiveness of the proposed scheme.     

Boundary antisaturation vibration control design for a flexible Timoshenko robotic manipulator

This article focuses on the angle positioning and vibration isolation of flexible Timoshenko manipulators possessing extraneous disturbances and saturation nonlinearities. Boundary control strategies with auxiliary systems are presented to achieve the expected angle, suppress the shear deformation and elastic oscillation, and mitigate the saturation nonlinearities effect. With the constructed controllers, a controlled system is ensured and certified to be exponentially stable. The simulation and comparison results show the control performance of the suggested approach.     

基于鲁棒滑模观测器的两关节柔性机械手控制

柔性机械手系统为非最小相位系统, 当控制有界时, 该特性阻碍其端点位移渐近跟踪期望轨迹. 本文首先重新定义柔性机械手系统的输出, 通过输入输出线性化, 将系统分解为输入输出子系统和零动态子系统; 然后提出一种用于观测柔性模态导数的鲁棒滑模观测器, 使状态估计达到预期的指标, 解决了柔性模态导数难以获得的问题; 设计积分滑模控制策略, 使输入输出子系统在有限时间收敛到零; 选择适当的控制器参数, 使零动态子系统在 平衡点附近渐近稳定, 从而保证整个系统的渐近稳定. 本文提出的方法设计过程简单, 易于实现. 仿真结果证明了设计的有效性.     

A novel feedforward control technique for a flexible dual manipulator

This paper proposes a feedforward control technique for two flexible links attached to one motor to suppress residual vibrations in a point-to-point motion. In the proposed method, we attempt to express the trajectory of the joint angle using a combination of cycloidal and polynomial functions, which enables the easy generation of a smooth motion. The generated trajectory depends on the coefficients of the polynomial function. To minimize the residual vibrations of the two flexible links, the coefficients are tuned using a particle swarm optimization algorithm, which is a type of a metaheuristic algorithm. The optimal trajectory obtained by this approach can suppress residual vibrations; i.e., multimode vibration control can be realized. Simulations and experiments are performed to evaluate the applicability and effectiveness of the proposed method.     

双臂柔性机械手的终端滑模控制

提出一种用于双臂柔性机械手系统的终端滑模控制方法，以解决其非最小相位控制问题．重新定义了柔性机械手系统的输出，通过输入输出线性化，将系统分解为输入输出子系统和内部子系统．设计逆动态终端滑模控制策略，使输入输出子系统在有限时间内收敛到零；选择适当的控制器参数，使零动态子系统在平衡点附近渐近稳定，从而保证整个系统的渐近稳定．仿真结果证明了该设计方法的有效性．