柔性机械臂点位控制逆动力学方法的实验研究

本文详细介绍了可用于简单柔性机械臂主动控制和逆动力学研究的实验装置。该装置由直流伺服电机、谐波减速器、柔性臂结构和支架等组成，测速电机、光电编码器和应变片作为其检测元件。为了保证铰关节的轨迹追踪精度，采用了由位置反馈环、速度反馈环和电流反馈环组成的伺服系统。最后，利用该实验装置实验证实了一种柔性机械臂点位控制边动力学方法的有效性。     

柔性空间机械臂基于混合滑模思想的自适应变结构控制

研究了柔性空间机械臂协调运动控制及柔性振动抑制问题。利用假设模态法及系统动量守恒关系,导出了空间机械臂的系统动力学模型。基于混合滑模思想,针对系统惯性参数存在不确定的复杂情况,提出了一种柔性空间机械臂本体姿态、关节协调运动的自适应变结构控制方案。该文所引入的混合滑模由频率成形最优滑模及终端滑模两部分组成。前者用于抑制系统柔性杆件的振动,后者则是为了保证系统追踪误差在有限时间内的收敛性。此外,上述控制方案由于在控制过程中无需预知系统的柔性变量,因此可有效避免对系统柔性状态变量进行实时地测量与反馈,较适于实际应用。仿真运算,证实了所提控制方法的有效性。     

受控柔性机械臂动力学建模仿真

针对链式反馈受控多体系统,建立了反馈控制的通用处理方法,构造了相应的控制元件,建立了受控多体系统离散时间传递矩阵法.该方法无需建立系统总体动力学方程,计算速度快、建模灵活,相比于其他动力学方法更利于对复杂受控多体系统的动态设计和实时控制.采用PD控制和基于压电激励器的模态速度反馈控制,分别建立了柔性机械臂系统相应的传递矩阵,应用文中方法实现了对柔性机械臂轨迹跟踪和振动主动控制,仿真结果表明了该方法的有效性.     

采用干扰补偿模糊整定的双柔性机械臂抑振策略

双柔性机械臂由柔性关节和变长度的柔性负载组成,会同时受到柔性、摩擦和参数时变的影响,在运动过程中,它会出现振动的现象,导致末端执行器的跟踪精度降低。本文采用基于干扰观测器的模糊整定PI策略控制双柔性机械臂伺服系统的输出转速,通过控制柔性负载的转速波动间接抑制机械臂的振动。根据假设模态法和拉格朗日原理建立了考虑变形的双柔性机械臂伺服系统的动力学方程。根据鲁棒稳定性理论设计干扰观测器中的低通滤波器,使干扰观测器同时满足控制器参数时变和受控对象参数摄动的稳定性。通过数值仿真分析和双柔性机械臂伺服系统控制实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,本文提出的控制策略可以更好地消除参数时变和柔性对于输出转速的影响,提高末端执行器的控制精度。     

基于高斯基模糊神经网络的漂浮基柔性空间机械臂自学习控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂的高斯基模糊神经网络自学习控制问题。利用拉格朗日方程和模态综合法可建立柔性空间机械臂的动力学模型,但由于此类空间机器人系统严格遵守动量守恒,其动力学方程表现出强烈的非线性性质。结合神经网络和模糊控制,即利用神经网络来实现模糊推理可使模糊控制具有自学习能力,在此基础上,设计了柔性空间机械臂关节空间的高斯基模糊神经网络自学习控制方案。由于将动量守恒定理耦合到系统动力学方程的推导过程中,所提出的控制方案具有不需要测量、反馈载体位置、移动速度和移动加速度的显著优点。系统的数值仿真,证实了方法的有效性。     

基于小波基模糊神经网络的漂浮基柔性空间机械臂轨迹跟踪控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,参数未知漂浮基柔性空间机械臂关节空间协调运动的轨迹跟踪控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,由假设模态法,建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。以此为基础,针对系统参数未知的情况,设计了一种小波基模糊神经网络的控制方案,以使柔性空间机械臂的载体姿态到达期望位置的同时,机械臂关节铰能够协调地跟踪关节空间的期望轨迹。该方案具有无需预知柔性空间机械臂的模型和系统参数的优点,且网络权值是通过在线学习进行调整,节省了离线训练的时间。系统的数值仿真表明了所提出方案的有效性和可行性。     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的分块神经网络控制及柔性振动模糊控制

讨论了载体位置不受控、姿态受控情况下,漂浮基柔性空间机械臂关节运动及柔性振动主动抑制的控制问题。由系统动量守恒关系及假设模态法,利用拉格朗日方法建立了漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。之后采用奇异摄动理论,将其分解为表示刚性运动的慢变子系统和柔性振动的快变子系统。据此,设计了柔性空间机械臂系统载体姿态及机械臂关节铰协调运动的组合控制器。针对慢变子系统——柔性空间机械臂的刚性运动,设计了分块神经网络控制器,以完成系统参数未知情况下关节空间协调运动的轨迹跟踪;而对于快变子系统——柔性臂的振动,则设计了模糊控制器来主动抑制柔性杆的振动。数值仿真证实了提出方法的有效性。     

捕获载荷冲击漂浮基柔性空间机械臂动力学响应评估与自适应镇定控制及主动抑制

分析漂浮基柔性空间机械臂受捕获载荷冲击后动力学响应及控制,利用假设模态法近似描述空间机械臂柔性杆弹性变形;利用第二类拉格朗日方程建立漂浮基空间机械臂系统动力学模型。基于动量守恒原理,利用动量冲量法评估受捕获载荷冲击后漂浮基空间机械臂系统动力学响应。设计自适应控制算法对受捕获载荷碰撞冲击后不稳定漂浮基空间机械臂进行镇定控制;设计线性二次最优控制算法抑制柔性杆弹性振动。用数值仿真验证控制算法的有效性。     

漂浮基柔性空间机械臂关节运动的拟增广自适应控制及柔性振动实时主动抑制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂系统关节运动的拟增广自适应控制和柔性振动实时主动抑制问题。此类机器人系统的特点在于:结合系统动量及动量矩守恒关系得到的完全能控形式的系统动力学方程,关于系统惯性参数不符合惯常的线性函数关系,因此地面机器人的控制方法在此难以直接推广应用。为了克服上述难点,我们仅将系统动量守恒关系耦合到系统动力学方程当中,而不耦合系统动量矩守恒关系,结果得到一组欠驱动形式的系统动力学方程。其优点在于,系统动力学方程关于一组组合惯性参数保持惯常的线性函数关系。以此为基础,设计了具有未知参数柔性空间机械臂关节轨迹跟踪的拟增广自适应控制方案。并根据柔性子系统的动力学特性,设计了一个基于反馈的自适应控制方案来对柔性杆的振动进行快速实时的抑制。所提出的控制方案还具有不需要测量、反馈载体位置、移动速度和移动加速度的显著优点。系统的数值仿真,证实了方法的有效性。     

基于干扰观测器的含有柔性关节的柔性机械臂抑振策略

含有柔性关节的柔性机械臂同时受到关节柔性、连杆柔性和轴承摩擦的影响,会导致输出角速度发生波动。角速度的波动会加剧机械臂的振动,影响末端执行器的控制精度。通过含有干扰观测器的PI(proportional integral)控制策略控制角速度波动的方式减弱机械臂的振动。首先使用连续体的振动理论和拉格朗日方法建立考虑轴承摩擦并且含有柔性关节的柔性机械臂的动力学方程。接下来,根据鲁棒稳定性定理设计了干扰观测器中的低通滤波器。然后通过超限补偿控制律的设计满足柔性机械臂控制系统闭环的稳定性。最后开展了含有柔性关节的柔性机械臂的数值仿真分析和控制实验。仿真和实验结果显示,所设计的干扰观测器可以有效的降低轴承摩擦力矩的影响,使角速度跟踪误差的标准差降低17.488%。由此,所提出的控制策略能够有效地抑制柔性机械臂工作过程中的角速度波动,进而减弱振动。     

Theoretical and experimental sensitivity analysis of extra insensitive input shapers applied to open loop control of flexible arm

In this paper, the motion input pre-shaping, applied to flexible manipulators for space applications, is analyzed in terms of sensitivity and robustness to parameters uncertainties. The special environment of space operations and the project specifications lead to the design of manipulators with light and flexible structures. In order to highlight the performances of these methods an open loop control technique is implemented. The control technique is verified by both numerical simulations and experiments. This paper presents the experimental set-up and the results of a series of experimental tests carried out on the space robot simulator assembly, called test-bed for microgravity simulation in robotic arm dynamics (TeMSRAD). The innovative task of the research is to determine experimentally the sensitivity curve for one-hump and two-hump extra-insensitive input shapers, for different vibration limits, by purposely introducing errors in the system model, in order to simulate typical operating conditions. Paper was presented at M2D’2006, 5th International Conference on Mechanics and Materials in Design, Porto, Portugal, 24–26 July 2006.     

A Lagrange‐Euler‐assumed modes approach to modeling flexible robotic manipulators

Abstract

This paper presents a general Lagrange‐Euler‐assumed modes dynamics formulation for lightweight flexible manipulators. The proposed explicit form formulation, not yet available in the existing literature, can be viewed as an extended version of the Lagrange‐Euler formulation for rigid manipulators. The deformation of a link from its rigid body position is modeled by a homogeneous 4×4 transformation matrix composed of summations of assumed link modes. The number of modes can be arbitrarily selected. The joint flexibility is modeled by a linear torsionai spring with known characteristics. The methodology presented can be easily used to derive the full nonlinear dynamic equations of flexible manipulators by computing only the dynamic coefficients using computer algebra such as MACSYMA. The resulting nonlinear dynamic equations are in a closed form and are especially suitable for advanced nonlinear control strategy synthesis. Taken as an illustrative example, a two‐link flexible manipulator is studied to demonstrate the effectiveness of the formulation.     

Linearization of dynamic equations of flexible mechanisms—a finite element approach

A finite element based method is presented for evaluation of linearized dynamic equations of flexible mechanisms about a nominal trajectory. The coefficient matrices of the linearized equations of motion are evaluated as explicit analytical expressions involving mixed sets of generalized co-ordinates of the mechanism with rigid links and deformation mode co-ordinates that characterize deformation of flexible link elements. This task is accomplished by employing the general framework of the geometric transfer function formalism. The proposed method is general in nature and can be applied to spatial mechanisms and manipulators having revolute and prismatic joints. The method also permits investigation of the dynamics of flexible rotors and spinning shafts. Application of the theory is illustrated through a detailed model development of a four-bar mechanism and the analysis of bending vibrations of two single link mechanisms in which the link is considered as a rotating flexible arm or as an unsymmetrical rotating shaft, respectively. The algorithm for the calculation of the matrix coefficients is directly emenable to numerical computation and has been incorporated into the linearization module of the computer program SPACAR¹.     

柔性关节空间机械臂奇异摄动自抗扰控制仿真研究

针对不同重力环境条件下考虑摩擦、关节刚度非线性与外扰影响的柔性关节空间机械臂的控制问题,提出了一种基于奇异摄动理论的自抗扰控制方法。首先建立了柔性关节空间机械臂在地面重力和空间微重力环境下的动力学模型;然后采用奇异摄动法将系统模型分为快变子系统和慢变子系统,针对快变子系统设计速度反馈控制律来抑制柔性关节的振动,针对慢变子系统设计加入前馈补偿的自抗扰控制器(ADRC)来抵抗系统的内外扰动,并对系统进行了稳定性分析;最后对设计的控制器进行了仿真验证与对比研究。仿真结果表明,采用该方法,在不同重力环境下柔性关节空间机械臂均能实现很好的轨迹跟踪和抖振抑制,且能有效抵抗内外扰动,系统具有鲁棒性。     

柔性冗余度机器人残余振动主动控制

研究柔性冗余度机器人的残余振动主动控制问题，设计了具有压电作动器与应变传感器的机敏杆件，建立了受控系统的状态空间表达式，采用独立模态空间控制理论设计LQR状态反馈控制器，并基于对偶原理设计了具有指定收敛特性的Luenberger全维状态观测器，最后，以平面3R柔性冗余度机器人为例进行了计算机仿真，结果表明，采用这种主动控制方法可以显著改善柔性冗余度机器人的动力学品质。     

Combined system of magnetic circuit and phase locked loop

PLL has its own feedback loop and locks its frequency to the input frequency. By adding another feedback loop through a magnetic circuit to PLL, the combined systems have been found to have various interesting functions, which could not be obtained separately. They are, for example, a multistable system, linear or bistable current to frequency converter, and analog memory. The first one is a combined system of PLL, a magnetic core, and a frequency divider. The second one consists of PLL and a magnetic modulator, The third one is realized by PLL and a magnetic delay line.     

谐波驱动柔性关节机械臂接触力的动态特性

谐波驱动柔性关节机器人在约束空间的接触力的动态特性与接触环境刚度密切相关,环境刚度不同导致其动态特性不同,这与机器人自身动力学特性、传感器动态特性以及环境刚度等动态特性有关.通过对单自由度谐波传动系统接触力建模、理论分析,可知谐波传动接触力的动态特性与环境刚度密切相关,当环境刚度较大时,输出力基本取决于谐波齿轮柔性关节变形的负载力.基于建立的谐波驱动系统实验平台,利用动态信号分析仪进行了接触力的模型实验辨识研究,得到从电机驱动器到力传感器输出的动态特性模型,为接触力控制器设计提供参考.从实验辨识结果验证了理论分析的正确性,并在单纯速度反馈作为主动阻尼情况下,辨识得到接触力的闭环频率响应特性,根据闭环频响可知速度反馈阻尼可以增加系统力控制的稳定性.     

具有刚性运动基的柔性结构振动主动控制

针对具有刚性运动基的柔性板结构的振动主动控制进行了研究。建立了包含压电机敏元件的、具有刚性转动体与二维柔性板的、刚柔耦合系统的振动数学模型;获得了系统的状态方程、传感方程与反馈控制方程,根据输出反馈控制原理,求得了反馈增益矩阵,在此基础上进行了实验研究,实验结果证明了理论研究的合理性和有效性。     

基于双反馈模式的大范围自感应AFM测量系统

为了提高原子力显微镜（AFM）的测量范围,设计了一种基于双反馈测量模式的大范围自感应原子力显微镜系统,测量系统中有两条反馈回路:一条反馈回路由压电陶瓷与AFM测头组成,动态响应较快的压电陶瓷位移台的运动量可以表征被测样品表面的高频信息;另一条反馈回路由压电陶瓷位移台和纳米测量机（NMM）的反馈控制器组成,利用压电陶瓷位移台的位移信号控制NMM运动,NMM的mm级z向测量范围使得被测样品较大变化范围的低频轮廓信息很容易地被表征出来。使用本系统对平面样品和一维栅格进行了测量实验,实验结果表明采用双反馈的测量模式的AFM测量系统能够有效地表征被测样品的低频轮廓信息和表面高频信息,测量范围能够达到mm级,纵向分辨率达到nm级,具有良好测量重复性。     

基于滑模输出反馈与输入成形控制相结合的挠性航天器主动振动抑制方法

针对挠性航天器大角度姿态机动的振动抑制问题，提出了一种基于输出反馈滑模控制和输入成形振动抑制方法相结合的主动振动控制策略。输入形成器作为前馈控制器作用在反馈回路的前相通道，通过改变输入命令的作用形式，在保证参考模型（标称对象）完成指定的姿态机动的同时抑制掉对系统影响较大的挠性结构的振动；而对于闭环控制回路，考虑挠性结构模态不可测、模型参数具有不匹配不确定性以及外干扰力矩的作用，在输出反馈滑模控制的基础上，给出了仅利用输出信息的滑模控制器设计方法，保证跟踪参考模型的输出以获得要求的闭环系统的性能。将该方法应用于单轴挠性航天器的大角度rest—to—rest（静止到静止）姿态机动控制进行了仿真研究，结果表明，所提出的方法是可行而有效的。