一种具有重力补偿的串联弹性执行器接触力控制方法

针对机械臂末端安装串联弹性执行器(Series Elastic Actuator,SEA)与环境或工件接触作业工况,考虑SEA端部负载对接触面压力随机械臂运动姿态变化的问题,研究一种具有重力补偿的SEA接触力控制方法。首先分析了一种基于滚珠丝杆模组的SEA与Staubli TX90 组合的力控制实验装置结构,建立了SEA与工件接触过程的动力学模型,提出了一种具有输入重力补偿的PD型SEA弹簧力控制方法,该方法在没有接触力传感器的情况下,依据机械臂关节角对SEA端部负载进行重力输入补偿,通过检测弹簧压缩变形量,计算并反馈弹簧力实现对接触力的控制。最后通过SEA与正弦面工件接触力控制实验,并对力传感器采集的接触力信号进行频谱分析,验证了所提出控制方法的有效性。     

地面装调的空间机械臂在空间应用时的自适应鲁棒控制

针对空间机械臂在轨操控过程中,重力加速度不同于地面装调阶段的重力加速度,会随着空间位置的改变而变化的问题.本文提出了一种自适应鲁棒控制策略,用于空间机械臂的末端控制,从而使在地面重力条件下装调好的空间机械臂能够在空间微重力条件下实现在轨操控任务.通过分析重力项对空间机械臂轨迹跟踪控制的影响,设计自适应律在线估计重力加速度,从而得到重力项的估计,系统的不确定性通过鲁棒控制器来补偿.基于李雅普诺夫理论证明了闭环系统的稳定性.仿真结果表明,在地面装调阶段的重力环境下和空间应用阶段的微重力环境下,该控制器对空间机械臂的末端控制均能达到较高的轨迹跟踪精度,具有重要的工程应用价值.     

基于模糊PID的悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计

针对悬吊式机械臂在工作过程中受起吊荷载的影响而产生的重心不稳现象,在模糊PID控制算法的支持下,进行悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计研究。硬件方面,改装主控制器、传感器和通信模块,加设重力补偿装置及驱动电机设备。在此基础上完成软件设计,根据机械臂的组成结构以及工作原理,构建悬吊式机械臂数学模型。在该模型下,检测悬吊式机械臂实时位姿,针对不同位姿建立相应的重力平衡方程。计算机械臂负载力矩,利用模糊PID算法求解机械臂重力补偿控制量,实现悬吊式机械臂重力补偿控制功能。实验结果表明：与传统重力补偿控制系统相比,优化设计系统的控制误差降低了0.056kN,机械臂的稳定系数提升了0.14,即优化设计系统可提高补偿控制效果,具有一定应用价值。     

基于扰动和摩擦补偿的柔性机械臂系统非奇异快速终端滑模控制

本文针对系统中存在的关节摩擦、动力学参数不确定性和外部负载干扰等因素引起的柔性机械臂系统控制性能下降的问题,提出了一种基于扰动和摩擦补偿的非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC-DE-FC).首先,设计扰动估计器(DE)对系统未知动态参数和负载干扰进行估计.然后,针对扰动估计器不能精确估计的关节摩擦力矩进行辨识.最后,利用滑模控制技术设计非奇异快速终端滑模控制器,并将扰动估计值和摩擦力辨识值以前馈的方式进行补偿,实现对柔性机械臂系统给定参考轨迹跟踪的准确性以及对外界扰动的鲁棒性.值得注意的是,与传统只使用扰动估计器的方法相比,本文考虑到了摩擦力等非线性因素的影响,并利用辨识技术对摩擦力进行辨识,提高了控制精度.利用Lyapunov稳定性定理从理论上证明了所设计的控制器可以保证闭环系统的稳定性.实验结果表明,相较于非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC)和基于扰动估计器的非奇异快速终端滑模控制方法(NFTSMC-DE),所提方法提高了柔性机械臂系统的轨迹跟踪性能.     

旋翼飞行机械臂建模及动态重心补偿控制

旋翼飞行机械臂是将多关节机械臂固连在旋翼飞行平台上而组成的一种面向主动任务操作的特殊系统,其飞行平台和机械臂之间存在强耦合特性.本文针对机械臂的规划运动对飞行平台的干扰问题,建立了系统运动学和动力学模型,并通过动态计算系统重心位置坐标,设计出基于backstepping的动态重心补偿控制方法,针对补偿项测量噪声问题设计了二阶低通滤波器,并使用Lyapunov稳定性理论证明了系统的稳定性.仿真和实验均验证了在相同的参数条件下,具有动态重心补偿项的控制算法比没有重心补偿项的控制算法在轨迹跟踪和姿态稳定方面具有明显优势.     

基于滑模控制的机械臂轨迹跟踪控制

针对多自由度机械臂轨迹跟踪存在的外部干扰和系统抖振问题,设计了一种干扰观测器结合滑模控制的轨迹跟踪方法.针对干扰问题,采用干扰观测器对系统的外部干扰进行观测;针对控制系统存在的抖振问题,设计滑模控制器进行补偿.采用二自由度机械臂为控制对象进行仿真实验,结果表明,该方法能有效克服外部扰动的同时,有效地削弱了系统抖振,提高...     

卫星天线展开臂的随动吊挂重力补偿系统设计

为了给卫星天线展开臂的展开特性测试提供真实的零重力地面仿真环境,设计了卫星天线随动吊挂重力补偿系统.首先设计了与卫星天线展开臂结构相同的3轴随动吊挂机械臂,对卫星天线展开臂进行位置跟随,并通过有限元方法分析其受载时的位置精度;然后根据导纳控制方法设计出随动机械臂的力跟随控制器,采用基于位置内环的PD （比例-微分）力控制策略设计出拉力系统对吊索拉力的控制算法;最后通过实验考核了随动吊挂机械臂各关节对在轨运行模式下的天线展开臂相应关节的位置跟随性能和重力平衡补偿.实验结果表明各轴位置跟随误差均不超过±0.03°,稳定运行时吊索张力控制偏差均小于1.2% F.S.（全量程）,在天线展开机械臂的展开过程中实现了较高精度的位置跟随和重力补偿,满足天线展开测试要求.     

不同重力环境的空间机械臂自抗扰轨迹跟踪控制

针对空间机械臂在地面装调与空间应用时,由于重力环境变化导致机械臂模型发生变化的问题,提出了一种自抗扰控制算法,用于完成空间机械臂轨迹跟踪控制的任务.该算法通过将系统模型及未知外扰作为系统的总和扰动,并利用扩张状态观测器对该扰动进行观测且给予补偿,从而提高了系统抗扰的性能.当机械臂模型随重力环境变化而发生变化时,使用同一个自抗扰控制器对其末端轨迹进行控制,均能取得较好的控制效果.通过对系统的稳定性进行分析,证明了所设计控制器的有效性.将仿真结果与PD控制及自适应鲁棒控制做比较,结果表明该控制算法不仅能适应机械臂模型的变化而且还能有效抵抗系统的扰动,从而使系统具有较强的鲁棒性.     

基于自适应RBFNN噪声估计的自抗扰控制在姿态控制中的应用

针对旋翼飞行多关节机械臂内部参数不确定性、外部环境和自身机械臂规划运动对飞行平台的干扰问题设计了一种姿态控制方法.首先将跟踪微分器作为期望姿态角的过渡过程,利用自适应RBFNN(径向基函数神经网络)算法对旋翼飞行多关节机械臂内、外部干扰进行逼近估计并实时补偿.然后采用非线性状态误差反馈控制来实现旋翼飞行多关节机械臂的姿态跟踪控制,并利用李亚普诺夫函数进行稳定性分析.最后,在仿真平台上实现该算法,将其仿真结果分别与PID(比例-积分-微分)控制、传统自抗扰控制(ARDC)进行比较分析.并且在实际旋翼飞行多关节机械臂系统上进行了实验,在0.4 s之内三轴姿态角可从0快速跟踪到0.6 rad且无超调.该算法对各通道的扰动有较强的抗干扰性,对系统参数有较强的鲁棒性,并且明显优于ARDC和PID算法.结果说明该算法能有效地解决系统不确定性干扰问题以实现姿态角的准确、快速跟踪.     

地面和空间机械臂的动力学等效条件与控制相似律

针对如何在地面机械臂上有效验证空间机械臂控制律的问题,本文研究空间机械臂和地面机械臂系统间的动力学等效条件和控制相似律.首先,基于量纲分析研究地面机械臂和空间机械臂之间的动力学等效条件,并基于等效条件设计地面机械臂系统.其次,基于量纲分析建立空间和地面机械臂系统间的控制相似律,设计的空间机械臂控制律通过控制相似律将可以转化为地面机械臂相应的控制律.最后,考虑地面机械臂基座往往无法和空间机械臂的基座航天器一样进行全6自由度运动,以及地面机械臂运动时受到重力影响,使得地面机械臂不再满足动力学等效条件,基于反馈线性化技术设计一种地面机械臂的动力学误差补偿策略,使得地面机械臂和空间机械臂具有相似的闭环动力学行为.这样,空间机械臂的控制律可以在设计的地面机械臂上进行验证,仿真中以在地面机械臂上验证空间机械臂的PID控制器为例说明所提方法的有效性.     

Gravity compensation of spatial two‐DOF serial manipulators

This article presents the analysis of gravity compensation of a two‐DOF serial manipulator operating in three‐dimensional space by means of linear spring suspension. The physical configuration of the serial manipulator is assumed general. The analysis begins with gravity compensation of a one‐DOF manipulator in order to form the basis which is then extended to a two‐DOF manipulator. The approach taken in the analysis is that of conservation of potential energy. The goal is to seek the location and the stiffness of springs that provide complete compensation of gravity in the manipulator system. It has been found that complete compensation of gravity in a two‐DOF serial manipulator system is possible. Unlike many previous works on spring suspension of a rigid body, which assume that one end of the suspending spring is attached to ground, it is proven in this study that, for complete compensation in a two‐DOF manipulator, the spring that suspends the distal link cannot be connected to ground. Instead, it must be in certain motion relative to the proximal link. The discussion on how to provide such a motion for the spring is given. It is also explained how the problem of gravity compensation of a robot manipulator can be shifted to that of changing gravity environment within a manipulator system. The concept can be applied to simulation and testing of robot manipulators that will be sent to operate in a different gravity environment, such as space. © 2002 Wiley Periodicals, Inc.     

下肢携行外骨骼系统模糊自适应位置控制研究

研究下肢携行外骨骼系统稳定性控制问题。下肢携行外骨骼系统支撑行走阶段位置控制存在稳定性、实时性不足,提高位置控制的速度及精度,使具有适应性和鲁棒性,为了克服具有实时重力补偿的传统方法,提出固定重力补偿的位置控制方法,并利用模糊推理逻辑可逼近非线性函数的特点,将模糊控制算法与具有固定重力补偿的传统PD控制算法相结合,提出了具有固定重力补偿的模糊自适应位置控制算法,应用到下肢携行外骨骼支撑行走阶段的位置控制中。仿真结果表明控制方法能够使外骨骼准确迅速跟踪人体运动,并能够显著减小人所施加的力矩,系统鲁棒性较强,能够适应负载的变化,证明是一种行之有效的控制方法。     

空间机械臂收拢状态零重力模拟

利用吊丝配重法进行零重力模拟装置的结构设计,结合重力补偿原理推导出空间机械臂分离体静力学重力补偿计算公式,同时采用最小方差原理将多个力矩的优化问题转化为一个总体目标,建立了吊点力优化程序,通过该优化程序得到各吊点力的数值.当吊丝长度为1 000mm时,利用ADAMS建立空间机械臂零重力模拟装置模型.当空间机械臂为静止状...     

基于模糊补偿的机械手鲁棒自适应模糊控制研究

多关节机械手系统中普遍存在摩擦特性、随机干扰及负载变化等非线性因素的影响。针对传统的PID控制和模糊控制很难对该类系统实现快速高精度的跟踪控制等问题,本文在模糊信息已知并且所有状态变量均可测得的情况下,设计了一种基于模糊补偿的鲁棒自适应模糊控制律。同时,为了减少模糊逼近的计算量,提高运算效率,采用了对不同的扰动补偿项加以区分、分别逼近的方法。仿真实验结果表明,这种改进的带模糊补偿的鲁棒自适应模糊控制可以很好地抑制摩擦、扰动及负载变化等非线性因素的影响。     

A nonregressor nonlinear disturbance observer-based adaptive control scheme for an underwater manipulator

A new nonlinear disturbance observer-based tracking control scheme for an underwater manipulator is presented in this paper. This observer overcomes the disadvantages of existing disturbance observers, which are designed or analyzed by the linear system techniques. It can be applied in underwater manipulator systems for various purposes such as payload compensation, interaction effects compensation, underwater current or external disturbance compensation, and independent system control. The performance of the proposed tracking control scheme is demonstrated numerically by the payload compensation and interaction effects compensation for a two degrees of freedom vertical underwater manipulator.