气动肌肉驱动机器人手臂的H∞跟踪控制方法研究

针对气动肌肉系统存在的参数不确定、外部干扰等问题,提出一种H_∞最优跟踪控制方法,用于控制由气动人工肌肉二头肌/三头肌拮抗驱动的单连杆机器人手臂。利用一种无模型的积分强化学习算法,求解机器人关节最优跟踪问题推导出的哈密顿-雅可比-艾萨克方程。所提算法有效解决了未知参数和外部干扰问题,并且不依赖于精确的系统动力学模型。通过计算仿真验证了所提H_∞跟踪控制器的有效性,并保持了机器人关节受控系统的稳定。仿真实验中,机器人关节实现了大范围的0°～90°的仿人运动,并且在跟踪周期轨迹时具有良好的角度和角速度跟踪性能。     

基于多目标进化算法的异步电动机现场效率测算

介绍了一种基于多目标进化算法（MOEAs）的异步电动机现场实时效率测定方法。通过对多目标算法进行优化、比较,提出使用非支配排序遗传算法Ⅱ（NSGA-II）和强度帕累托进化算法2（SPEA2）的低侵入式方法用于异步电动机效率估算,仅需电动机运行时通过传感器检测其实时转子速度和定子电阻,而无需拆下电动机或单独做一些实验项目来获取所需参数。通过5.5kW电动机的实践表明,该方法在估算异步电动机效率方面是有效的,尤其在常规的负载范围内,用该方法的估算值与实际试验值的误差小于3%;相互比较后发现,NSGA-Ⅱ方法的估计结果略优于SPEA2方法的结果。     

储粮用变压膨胀灭虫方法及其模糊控制技术

灭虫是粮食仓储粮灭虫方法.建立了系统总体原理图和工作流程.基于计算机设计了系统的全自动控制方案.特别在容器内设计了导气管,在气路中设计了缓冲气瓶,从而加快容器内的升压和压力平衡速度.分析了变压膨胀灭虫方法的数学模型,确定了影响性能的关键参数是合理的高压值和保压时间.针对设备的复杂性和关键参数的智能化设定,设计了多输入多输出的模糊规则器,并采用最小-最大法进行模糊推理和反模糊化,给出了详细的模糊推理方法.采用PD反馈控制快速实现容器内的高压.利用PCAuto建立了系统的仿真环境,并进行了压力的模糊控制实验.结果表明模糊控制提高了压力控制效率.试验证明了变压膨胀灭虫方法的有效性.本装置已获得国家发明专利.     

基于双生成函数的步行机器人最优步态生成

将最优控制理论中的双生成函数方法应用到双足步行机器人的在线最优步态生成中.针对线性化的机器人模型,分别以关节角度和力矩为状态和输入变量,考虑能量消耗,构造线性二次型最优控制问题.基于一对生成函数推导得到该问题的解,可以参数化为线下计算系数和边界条件,相对应的求解过程由线下数值积分部分和线上代数运算部分组成.通过设置多步仿真实例进行计算.结果表明,利用该方法可以显著地提高机器人步态的在线生成效率.设计比例微分控制器,当机器人以合理的步长和适当的时间段行走时,由线性化引起的建模误差可以被控制在较小范围之内,非线性模型的轨迹可以很好地跟踪线性化模型的轨迹.     

机器人手臂的刚柔耦合建模及摆动模态对比

以机器人柔性手臂为对象,基于Jourdain变分建立了刚柔耦合动力学模型;通过假设模态法将物理坐标变换成模态坐标,对动力学方程进行解耦。参考人体参数,利用ADAMS建立了虚拟样机模型,设计了形函数矩阵。在MATLAB中编写了方程求解算法。对比了ADAMS和MATLAB对柔性手臂转角的仿真。针对碳纤维、铝合金、聚乙烯和聚丙烯4种材质手臂仿真重力作用下的摆动运动,绘出了末端横向变形位移和频谱图;量化分析了变形量和模态。结果表明随着弹性模量与密度的比值增大,手臂固有频率增大,横向变形位移减小;碳纤维材质可近似建模为刚体;碳纤维和铝合金适合做手臂机构;聚丙烯材质刚度和柔顺性较好。     

基于残余动量时频特征和SVM的机械臂故障分类研究

针对两连杆三自由度机械臂的电机故障和碰撞故障的检测与分类问题,将残余动量信号时域中的均值、方差、相关系数与频域中的小波包能量谱组合成高维特征向量.搭建ADAMS机械臂虚拟样机,分析故障引起的残余动量特征值变化情况.分析可知,单独的时域或频域特征值变化与故障类型之间无明显规律.利用搭建的虚拟样机与Matlab/Simulink搭建的仿真平台进行联合仿真,并通过支持向量机(SVM)故障分类器训练.测试结果表明,采用残余动量值的时域和频域特征向量得到的故障分类准确率为98％.在工业机械臂上进行了碰撞故障试验.结果表明,基于残余动量时频特征和支持向量机分类器的故障检测算法能有效检测出碰撞故障.     

智能写字机器人机构与递阶控制系统设计

设计了6自由度转动关节机器人机构.基于坐标变换,建立运动学模型.三级递阶控制的组织级采用PC机.利用视觉获取字符图像,通过网格化得到字符点阵.通过计算脊信息,得到笔画.利用笔画中心点的聚类分析确定书写顺序.协调级采用MSP430单片机实现通讯和多舵机协调运动.执行级基于舵机实现关节的位置闭环控制.在自主开发的样机上,开展了写字实验,验证了设计的有效性.     

电缆压痕激光测量系统设计与不确定度分析

针对人工测量电缆压痕效率慢以及受人为切片水平影响较大的问题,设计了一套自动测量装置。该装置通过软件对运动控制板卡发送指令,从而驱动电机实现对装有电缆夹具的二维移动平台的移动控制;同时激光传感器进行数据采集,得到数据集;对数据集进行滑动平均滤波处理,采用差分方法判断压痕;对非压痕数据进行线性回归处理,与压痕段数据相减,获得压痕深度。分析了测量计算过程中引入的不确定度来源,对一段电缆试样的测量结果进行不确定度评定,取包含因子k=2,扩展不确定度U=0.028mm。     

双足机器人四连杆仿生膝关节的研究

机器人关节通常采用二连杆单轴关节，仿生特性不强。结合生物医学人体关节研究成果，研究了一种四连杆封闭链仿生关节；给出了一种由四连杆机构组成、智能MR阻尼器控制的多轴仿生膝关节机构；并与人腿膝关节对比分析了四连杆膝关节的仿生特点；通过多变量优化设计方法求解膝关节机构和阻尼器安装位置参数；并建立了仿生膝关节的虚拟样机，进行仿真，结果表明四连杆关节有好的仿生特性。     

空冷燃料电池最佳温度及模糊增量PID控制

提出用空冷型质子交换膜燃料电池堆为机器人驱动电机供给电能。基于对热传递的分析,建立空冷型燃料电池温度场热模型方程。通过实验得到不同电流和电压负载时可使燃料电池输出功率最大的最佳温度值,以及不同电堆温度下,电池可稳定输出的功率情况。设计模糊增量PID温度控制算法,利用模糊规则推理来优化调节PID参数,建立加权平均去模糊化方法。给出电堆温度测控系统实现方案和控制器关键硬件选型。在自制实验台上,针对100 W燃料电池开展实验研究,用风扇调节电堆温度。温度控制实现±0.5 ℃精度。实验结果证明最佳温度合理,模糊增量PID控制满足电堆温度控制要求,适用于缓慢的负载变化。