自由漂浮柔性双臂空间机器人动力学分数阶控制

针对自由漂浮柔性双臂空间机器人,双臂的弹性变形采用假设模态法近似描述,高阶弹性振动模态忽略,采用拉格朗日方程结合系统动量守恒,建立闭链系统的动力学方程。采用分数阶控制方法分别控制目标位置和末端执行器内力。分数阶控制器与整数阶控制器对比,可以改善动态响应性能,提高抗干扰能力和增强鲁棒性。数值仿真结果表明这种方法的有效性。     

基于动力学模型的工业机器人导纳控制研究

提出了一种基于动力学模型的导纳控制算法,用来实现机器人末端力和位置的柔顺控制,可以在速度模式下控制机器人运动,以保证无外力接触时的轨迹跟踪精度.首先,根据牛顿-欧拉法建立机器人动力学模型;然后,通过粒子群算法辨识动力学模型参数,得到完整的动力学模型;在此基础上,计算机器人末端位置误差和外力,利用设计的导纳控制器实现机器人的柔顺控制,用Matlab的Simulink仿真模块验证了基于动力学模型导纳控制的有效性和可靠性.仿真结果表明:机器人末端没有与环境接触时,具有较高的跟踪精度;与环境接触时,机器人末端会产生位置误差和外力,从而实现机器人的柔顺控制.     

动感座椅运动模拟实验平台设计及分析

动感座椅作为一种常见的运动模拟设备,已经被应用于模拟飞行、模拟驾驶、医疗康复等多个领域。基于4-UPS-UPU并联机构设计了一种动感座椅实验平台。首先根据拟定参数,对动感座椅进行结构设计,对驱动装置进行了初步选型,建立了动感座椅平台的三维模型。利用ADAMS对动感座椅平台进行动力学仿真分析,得到了不同工况下支链的驱动力,关节处的力和扭矩。根据ADAMS的动力学仿真结果,利用ANSYS Workbench对关键构件进行了有限元分析,从结构方面保证了座椅实验平台的安全性,为实体样机的制作提供了理论依据。     

一种基于新型4-UPS+PSPR并联机构的动感座椅运动学和动力学分析

提出了一种基于新型6自由度4-UPS+PSPR并联机构的动感座椅,该动感座椅由4条UPS型分支和一条PSPR型分支组成,通过将UPS型驱动分支布置在动感座椅的上、下侧,有效提高了动感座椅的转动能力。首先,介绍了动感座椅的构型特点,结合该动感座椅机构分支的闭环矢量方程,得到了机构的运动学反解,求解了动感座椅的速度和加速度,得到了动感座椅的Jacabian矩阵和Hessian矩阵,并采用逐次逼近法求解了该座椅机构的位置正解。其次,考虑了动感座椅各构件的重力和惯性力,采用虚功原理建立了动感座椅的动力学方程。再次,采用边界法求解了4-UPS+PSPR动感座椅的可达工作空间和姿态工作空间。最后,利用MATLAB软件计算了动感座椅的运动学和动力学,并在Simulimk环境下对动感座椅的运动学和动力学进行了仿真,仿真算例表明理论结果完全正确。本文中4-UPS+PSPR型动感座椅的分析方法同样适合于其他并联动感设备。     

座椅可移动2轮机器人的建模与仿真

采用拉格朗日动力学方程建立座椅可移动2轮移动机器人在平坦地面上做直线运动的数学模型;采用局部线性化将机器人在控制系统平衡点附近近似为线性定常系统;基于其线性模型选用线性2次型调节器对机器人进行控制,控制器保证机器人在平坦路面上运动时保持车体竖直并使座椅在某一固定位置上;采用开放动力学引擎仿真和Matlab仿真对控制系统进行数值验证.仿真结果表明：2种不同仿真环境下具有相同的仿真结果,验证了所建立动力学模型的正确性和控制方法的有效性.     

柔性串联机械臂的模糊自适应滑模控制系统设计

针对柔性串联机械臂传统控制方式的轨迹跟踪精度存在误差较大的缺陷,文章提出了一种结合柔性串联机械臂弹性动力学方程和模糊自适应滑模控制(sliding mode control,SMC)的控制方法。采用运动弹性动力学(kineto-elastic-dynamics,KED)法,结合系统的约束方程,建立了机械臂的弹性动力学方程,为系统提供控制对象模型;将模糊自适应算法与SMC控制器相结合,设计出一种新型SMC控制器,并运用Lyapunov函数验证该新型SMC控制器的稳定性;基于S-Function函数,建立机械臂的Matlab/Simulink仿真框图,对机械臂进行仿真分析。结果表明,模糊自适应SMC控制器具有轨迹跟踪精度高和稳态误差小的特点,验证了新型SMC控制器的有效性。     

直升机磁流变座椅悬架缓冲系统模糊控制器设计

针对直升机座椅悬架缓冲控制问题，文章建立了结合磁流变耗能器的单自由度磁流变座椅悬架缓冲系统动力学模型。为了保证耗能器在充分耗散冲击能量的同时避免传递到人体的冲击力峰值超出人体的伤害限，以“软着陆”为控制目标，以磁流变耗能器活塞运动速度及位移作为模糊控制器的输入、阻尼器阻尼力作为控制输出设计模糊控制器的结构和控制规则，实现输出力-位移曲线的“平台效应”。最后分别在6～12 m/s冲击作用速度下，通过数值仿真验证了所设计的模糊控制器的有效性，即传递到人体的冲击载荷低于人体的伤害限的同时耗能器耗能最大。与现有的线性恒定总力控制器、恒定屈服控制策略进行缓冲效果对比，结果表明：模糊控制器在实现“平台效应”、“软着陆”控制目标的同时能有效避免二次反弹。     

环境约束可重构机械臂模块化力/位置控制

针对受环境约束的可重构机械臂系统,提出了一种自适应神经网络模块化力/位置控制方法.利用雅克比矩阵将机械臂末端与环境接触力映射到各关节,将系统动力学模型描述成一组通过耦合力矩相关联的子系统集合,通过控制各子系统的位置和力矩来达到控制末端执行器位置和接触力的目的.利用神经网络估计可重构机械臂系统的非线性项和交联项,通过自适应更新律在线估计神经网络权值函数,并引入滑模控制项补偿估计误差,从而保证闭环系统渐近稳定.最后,在不改变控制器参数的条件下对2个不同构形的2自由度可重构机械臂进行数值仿真,结果验证了所设计控制器的有效性.     

基于位置内环的骨骼服力控制方法

讨论一种基于位置内环的力控制方法,并将其应用于骨骼服的控制之中。首先,基于系统的静态模型建立骨骼服的位置控制内环,再采用多维力/力矩传感器测量操作空间中人作用于骨骼服的力/力矩信息,构造位置内环的参考输入信号,形成力控制外环,并对人体负荷情况下的蹲起动作进行仿真实验。研究结果表明:该方法无需系统精确的动态模型,就能控制骨骼服跟随人体运动,并保持人体对骨骼服的作用力最小;所设计的控制器是有效的,并对环境变化和负荷变化具有较强的鲁棒性。     

基于反步法的机械臂鲁棒自适应位置/力控制

针对机械臂终端受环境约束而产生的位置/力控制问题,提出一种鲁棒自适应控制算法。该方案采用反步法的思想设计具有全局收敛特性的位置/力控制器,根据坐标变换得到降阶的动力学模型,设计中考虑了驱动电机模型使控制器更符合实际控制要求,并将其分解为动力学控制器和电机控制器两部分以降低设计难度。利用自适应方法对动力学模型中的非线性部分和未知扰动进行补偿,采用鲁棒控制克服电机参数的不确定性的影响。二自由度机械臂的仿真结果表明,系统能快速有效跟踪参考信号,说明该控制器是有效的。     

基于LQG控制的整车8-DOF系统振动分析

建立了整车8-DOF系统动力学模型,考虑了主动悬架控制,并增设了主动座椅控制,设计了车辆主动悬架系统的LQG控制器。基于Matlab仿真平台建立了整车8-DOF系统动力学仿真模型,对所得最优控制策略下的动态响应进行了仿真验证。仿真结果表明:为了改善人椅系统质心及车身质心的跳振性能需要在一定程度上弱化各轮轮胎动位移性能。从控制效能上来看,该最优控制器能够满足各行驶状态下对悬架性能的要求,改善了车辆的行驶平顺性。     

基于未知输入观测器的主动式座椅悬架鲁棒H_∞控制

针对随机干扰环境下一类新型主动式车辆座椅悬架系统,基于未知观测器根据可测量的座椅加速度来估计座椅在车辆行驶过程中产生的摩擦力,并给出具有摩擦补偿的鲁棒H_∞控制器设计方法,以控制车辆座椅悬架在被动状态下所传递的低频振动.首先,建立座椅悬架系统的动力学模型,建模过程中考虑系统中存在的摩擦力及座椅随机振动等干扰因素;其次,建立基于线性矩阵不等式(linear matrix inequality, LMI)的稳定判据,并保证系统的H_∞性能指标,利用LMI求解未知观测器的增益和控制器增益;最后,建立仿真模型并以白噪声作为路面激励,通过对加速度、位移和摩擦力估计在有无控制器状态下的对比实验验证扰动作用下具有摩擦补偿的鲁棒H_∞控制器的有效性.仿真结果表明,在随机干扰下受该方法控制的主动式座椅悬架具有良好的瞬态响应性能,能够有效抑制座椅悬架的垂直振动和增强乘坐的舒适性.     

汽车座椅有限元建模与计算

采用“壳 -体单元相结合”的方法建立座椅计算机辅助分析 (CAE)模型 .利用Ansys软件计算了座垫弹性 ,与座椅试验的力 -变形曲线对比 ,以验证建模与材料定义的正确性 .另外还利用正面模拟碰撞中乘员的运动响应 ,分析了座椅材料的软硬程度对乘员伤害指标的影响 .     

采摘机器人恒速抓取环境模拟及其控制器设计

为实现机器人对苹果的无损采摘,本文通过设计阻抗控制器来提高末端执行器抓取的柔顺性.在夹持器匀速抓取的情况下,用Burgers模型表示苹果黏弹力学行为,利用该模型的力学特性模拟抓取环境,间接减小环境参数不确定性对末端执行器阻抗控制性能的影响.仿真试验结果表明,基于环境模型的阻抗控制器系统输出的接触力能够快速、低超调地跟踪期望力,显示了该模型在苹果抓取控制器设计中的应用前景.     

3-PPSR柔性并联机器人力控制研究

针对3-PPSR并联机器人加入大长径比柔性铰链和与外界环境接触产生形变的问题,在控制端提出了基于位置阻抗控制的主动柔顺控制策略。该方法在柔性并联机器人与外界环境对象的等效作用模型和基于位置的阻抗控制模型基础上,引入外界环境作用力和结合系统的力跟踪模型,通过调整初始参考位置控制模型的稳态误差实现基于位置的外力跟踪控制。采用Lyapunov稳定模型和能量方程,在未知环境变量条件下通过力偏差直接控制目标位置的自适应控制系统实现自适应的力控制。实验结果表明,基于位置的外力控制精度可以达到±0.05N,应用自适应控制精度可以达到±0.1N,3-PPSR柔性并联机器人的末端的接触力控制精度得到了提高,满足设计要求,验证了该控制方法的准确性和有效性。     

建筑幕墙安装机器人的位置/力混合控制方法

针对建筑领域幕墙安装过程中所面临的幕墙质量变化、接触环境改变以及机器人动力学参数漂移等问题,提出了基于阻抗模型和自适应补偿的机器人位置/力混合控制方法。分析了幕墙受力,建立了幕墙与环境之间的接触力模型,获得了机器人-幕墙-接触环境的综合动力学方程;为解决幕墙与环境接触时的力控制问题,在设计控制器时建立了幕墙位置与接触力之间的阻抗关系,同时通过李雅普诺夫稳定性理论构造了自适应控制器来补偿未知不确定项,使幕墙轨迹跟踪阻抗外环生成的参考轨迹。对不同任务时的幕墙安装过程进行多组仿真实验,结果表明:所提方法均能实现高精度的幕墙位置跟踪,误差精度小于0.2 mm,同时可以使幕墙与环境之间有稳定的接触力,并具有一定的鲁棒性。     

高阻尼隔振器对弹性梁动态特性的影响研究

为了研究高阻尼隔振器对弹性梁动态特性的影响,分别建立单层和双层连续弹性支承梁动力学模型.在空间-频率域给出正弦稳态激励下弹性梁的动力学响应.分别定义沿弹性梁垂直方向的力传递率和水平方向的平均振动衰减率,对比高阻尼隔振器对弹性梁动态响应的控制效果.计算结果表明:相比常规线弹性支承,高阻尼隔振器可有效抑制弹性梁的力传递率幅值并增加弯曲波的空间传递衰减率;同时,梁-高阻尼隔振器系统固有频率大于梁-线弹性支承系统固有频率;通过调整高阻尼隔振器的安全系数ε和刚度比α,可优化弹性梁的力传递率和空间衰减率的有效工作频段和响应幅值.     

具有随机干扰的车辆座椅悬架系统的鲁棒H控制

针对随机干扰环境下的车辆座椅悬架系统,给出鲁棒H控制器设计方法。首先建立座椅悬架系统的动力学模型,在建模过程中同时考虑了系统中存在的参数不确定(质量、刚度、阻尼)和座椅随机振动因素。其次,基于随机微分方程理论和Lyapunov泛函理论设计出半主动控制器,给出控制器参数线性矩阵不等式解的形式,并保证系统的H性能指标。最后,随机输入下的时域和频域仿真结果表明,所提方法在参数不确定和随机干扰下能够有效衰减座椅悬架垂直加速度,提高人体乘坐舒适性。     

基于奇异摄动法的受约束双连杆柔性机械臂组合控制

建立了受约束双连杆柔性机械臂动力学方程,基于奇异摄动理论,将系统模型分解为慢变及快变两个子系统。对慢变和快变两个子系统分别设计控制器,达到了力/位置精确控制的目的。仿真结果验证了采用组合控制方案的正确性。     

基于模糊神经网络的变风量空调末端控制方法

针对变风量空调系统末端的稳定控制问题,根据被控对象的特点,提出了采用模糊神经网络(FNN)控制变风量空调系统末端的方案。在MATLAB仿真环境下对模糊神经网络的控制效果进行了模拟仿真,并与普通模糊控制器及典型PID控制器的控制效果进行了比较,结果表明模糊神经网络控制器可以稳定、有效的控制变风量系统的末端装置。