空间机械臂捕获操作过程的神经网络镇定控制

分析了柔性空间机械臂捕获卫星过程受到的碰撞冲击效应,及其受碰撞冲击后不稳定运动的镇定控制.利用第二类拉格朗日方程建立空间机械臂系统的动力学模型.基于碰撞过程空间机械臂与被捕获卫星的动量守恒原理,利用动量冲量法计算碰撞冲击对空间机械臂运动状态的影响效应,该影响效应将引起空间机械臂系统的不稳定运动及柔性杆弹性振动.考虑到上述冲击效应,设计神经网络控制算法进行控制,以实现对不稳定运动进行镇定控制及抑制柔性杆振动.最后,通过数值仿真结果验证了上述控制算法的有效性.     

空间机器人系统的简化动力学模型与应用研究

建立了空间机器人系统的简化动力学模型,论述了可以通过控制关节变量的办法来改变载体姿态和抓手路径,从而在实践中可用于研究卫星姿态调整、空间机器人着地姿态控制和太空机械臂的路径规划等,算例验证了这种简化模型的有效性。     

挠性机械臂三维动力建模与单挠性臂数值模拟

柔性机械臂的研究具有重要的工程实际意义。本文应用虚功原理建立了柔性链式多体系统动力学微分方程。对应由－刚杆－柔杆加上刚性负载所组成的三维机械臂系统，采用 Ｇｅａｒ算法进行了三维数值计算。计算结果比较符合实际。     

漂浮载体弹性机械臂动力学控制

导出了漂浮载体弹性机械臂系统约束方程和动力学方程，利用逐次近似法讨论了机械臂结构弹性和负载位姿的影响，提出消除弹性影响的控制方法，并通过算例加以说明。     

卫星在轨自维护系统的动力学建模与仿真

建立了卫星在轨自维护系统的结构模型.基于动量守恒定律,建立了自维护系统末端操作器速度与卫星本体速度及机械臂各关节速度之间的关系.以操作太阳帆为例,对机械臂的运动与卫星本体姿态变化之间的关系进行了仿真分析.仿真结果表明,机械臂运动速度对卫星姿态不产生影响,而机械臂转动角度决定了卫星姿态.     

带刚性臂的空间绳系机构偏置控制

通过系绳与机构间串联的可控刚性臂作为偏置控制器,对由轨道偏心率弓』起的系统面内运动发散动力学问题进行分析,研究了空间绳系机构系统的位置-9姿态最优控制问题．利用Gauss伪谱法,将绳系机构位置与姿态最优控制离散为大规模动态规划问题,借助非线性规划方法求解,并引入状态反馈补偿来抑制系统的初始扰动．数值结果表明,偏置机构的引入提高了系统面内运动发散的轨道偏心率,机构的位置与姿态控制可相互解耦,以系绳张力、刚性臂转动加速度和绳系机构上的动量轮作为控制输入,降低了动量轮的控制力矩,状态反馈跟踪补偿控制器有效消除了系统的扰动影响．     

基于Recurdyn的移动机器人倾覆性分析

针对履带式移动机械臂在运动过程中可能存在倾覆性的问题，本文以自制的履带式移动机械臂为研究对象，从动力学的角度研究机械臂的运动对移动平台攀爬楼梯过程中的影响，提出了一种机械臂主动改变位姿以维持系统稳定性的算法。首先，采用牛顿-欧拉法建立机械臂动力学方程，通过Solidworks三维软件辨识机械臂各连杆的惯性参数集，得到完整的机械臂动力学方程；其次，对移动平台进行受力分析，采用TOM倾覆力矩法衡量移动机械臂的倾覆裕度，判断系统的倾覆可能性；最后，采用Recurdyn仿真软件进行履带式移动机械臂攀爬楼梯仿真实验，仿真实验结果表明：移动平台在攀爬楼梯过程中，其TOM值逐渐增大，系统趋于不稳定状态；当机械臂改变位姿以维持系统平衡时，移动平台的TOM值逐渐减小，系统趋于稳定状态。可见，所提算法可以用于判断移动机械臂系统的倾覆可能性，同时机械臂可以主动改变位姿维持系统的稳定性，为移动机械臂运动稳定性状态的维持提供了有效的手段。     

助老助残轮椅用绳传动机械臂结构设计

针对传统轮椅机械手驱动结构复杂并且体积、自重偏大等问题,基于套索式柔性绳传动机构原理,设计一种助老助残轮椅用的绳传动机械臂结构;通过对轮椅机械臂的结构以及机械臂绳传动原理进行描述,建立机械臂的运动学方程,利用MATLAB软件求解该绳传动机械臂的运动仿真模型与工作空间进行运动学分析,并研制原理样机进行相应的实验验证。结果表明,通过该绳传动方式,可以将驱动电机安装在机械臂的臂体之外,利用绳索进行动力传递,从而实现分离驱动,并简化机械臂的结构,减小机械臂的体积、质量和能耗。     

空间机械臂冲击动力学建模及冲击后运动控制

通过对漂浮基空间机械臂冲击动力学的建模,计算出完成抓取操作后空间机械臂各关节的运动速度,从而为数值仿真计算提供初始条件.针对目标物体及空间机械臂系统惯性参数存在未知的情况,设计了冲击后空间机械臂及目标物体组合系统的载体姿态及关节运动滑模神经网络控制,并对平面自由漂浮空间机械臂系统抓取目标物体的操作及冲击后控制进行了数值仿真.仿真结果表明,空间机械臂抓取目标物体时的冲击对系统有重大的影响,所设计的控制方案可保证系统对期望运动的追踪.     

绳驱动拟人臂机器人的刚度分析和优化

分析了一种绳驱动拟人臂机器人的笛卡尔刚度,这种7自由度机械臂具有特殊的串并混联结构,机械臂的肩关节和腕关节均为绳驱动3自由度球关节,通过对其刚度表达式的推导,再结合串联机器人刚度分析方法,描述了机械臂整体笛卡尔刚度矩阵的求解过程.首先描述了绳驱动3自由度球关节的推导过程,用以求解肩关节和腕关节的刚度;然后计算单自由度肘关节的刚度;最后通过结合肩、肘和腕刚度得到的关节空间刚度矩阵,运用修正的一致保守变换得到绳驱动拟人臂机器人的笛卡尔刚度.基于以上的刚度分析,提出了一种刚度优化算法用于改善机器人在运动过程中的刚度,仿真分析验证了这种算法的有效性.     

漂浮基空间机械臂姿态与末端爪手协调运动的模糊变结构滑模控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下,漂浮基空间机械臂载体姿态与末端爪手协调运动的控制问题.结合系统动量守恒关系,分析、建立了空间机械臂系统运动的Jacob i关系及完全能控形式的系统动力学方程.在此基础上,应用变结构滑模控制理论设计了空间机械臂载体姿态与末端爪手惯性空间轨迹协调运动的变结构滑模控制方案;为了克服上述变结构滑模控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以根据系统的控制输出来动态调节变结构滑模控制器等速趋近率的系数,从而达到既保证系统具有快速响应又能消除原有控制器具有抖振缺点的目的.系统数值仿真运算,证明了上述控制方案的有效性.     

绳系卫星的混沌运动

讨论了绳系卫星的纵向振怀姿态运动的耦合。利用Ｍｅｌｎｉｋｏｖ方程和Ｐｏｉｎｃａｒｅ截面的计算，证明卫星摆动具有不可预测的混沌行为。     

带滑移铰空间机械臂协调运动的自适应分解运动控制

讨论了载体位置不受控制的漂浮基带滑移铰空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的逆运动学问题.结合系统动量守恒关系进行的系统运动学分析表明,可以将空间机械臂本体姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的增广广义Jacob i矩阵表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,设计了系统部分参数未知情况下,由本体姿态期望运动及机械臂末端抓手惯性空间期望运动轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的自适应控制算法.由于充分利用了空间机械臂系统动量守恒的动力学特性,本文提出的方法具有不需要测量、反馈载体基的位置、移动速度及移动加速度的显著优点.系统数值仿真证实了该方法的有效性.     

Task Space Division and Trajectory Planning for a Flexible Macro-Micro Manipulator System

This paper deals with a flexible macro-micro manipulator system, which includes a long flexible manipulator and a relatively short rigid manipulator attached to the tip of the macro manipulator. A flexible macro manipulator possesses the advantages of wide operating range, high speed, and low energy consumption, but the disadvantage of a low tracking precision. The macro-micro manipulator system improves tracking performance by compensating for the endpoint tracking error while maintaining the advantages of the flexible macro manipulator. A trajectory planning scheme was built utilizing the task space division method. The division point is chosen to optimize the error compensation and energy consumption for the whole system. Then movements of the macro-micro manipulator can be determined using separate inverse kinematic models. Simulation results for a planar 4-DOF macro-micro manipulator system are presented to show the effectiveness of the control system.     

一种仿生机械臂空间位置反馈方法的研究

为了解决仿生机械臂空间位置反馈的问题,将眼电图作为神经反馈,应用于仿生机械臂空间位置反馈系统,通过多角度目标点重复扫视实验,分析眼球转动角度与对应眼电信号特征之间的映射规律,建立了人眼双目视觉定位模型.采用四元数法构建人眼、仿生机械臂坐标转换模型,并通过自行设计的物理实验平台进行坐标转换参数标定、计算旋转矩阵和平移向量,根据参数化定位模型将提取到的目标点转换为机械臂坐标系位置信息,从而实现了空间定位.研究结果表明,人眼双目视觉的定位模型可以有效地提取目标点坐标,为仿生机械臂提供空间位置反馈,同时也为仿生机械臂空间位置反馈提供了新思路.     

基于粒子群算法的空间机械臂关节驱动力矩优化设计

采用绝对节点坐标方法对空间柔性机械臂臂杆进行动力学建模,采用自然坐标法对机械臂关节进行建模,最终得到刚柔耦合的空间机械臂动力学模型.对冗余自由度机械臂进行逆运动学分析,由规划的末端轨迹得到了含自运动项的关节转角轨迹.利用动力学方程中Lagrange乘子的物理意义,对机械臂系统进行逆动力学分析,推导了关节轴瓦与轴颈在运动过程中受到的关节驱动力/力矩.利用粒子群算法优化机械臂的自运动项,得到了最小化的关节驱动力矩能耗,从而形成了一种冗余空间机械臂关节驱动力矩优化设计新方法.在平面三连杆柔性机械臂进行了数值仿真,仿真结果表明:所提出的方法在实现末端轨迹跟踪的同时,能有效降低关节力矩能耗;得到的关节力矩连续性好,能够满足工程实际需要.      

柔性宏/微空间机械手系统的误差补偿

利用一个柔性宏 /微机械手空间机器人结构 ,即在一台大型的柔性宏机械手的末端安装一台小型的微机械手 ,以提高柔性空间机器人的作业精度。基于机器人摄动理论和正、逆运动学理论 ,推导利用微机械手的快速和精密运动消除柔性宏 /微机械手误差的补偿原理。仿真结果表明补偿前 ,宏 /微机械手末端点因弹性杆件变形引起的在 x方向的最大误差近 6 m m,在 y方向的最大误差近 8m m,采用所提出的方法进行补偿后 ,末端误差几乎为零。所提出的误差补偿方法能够有效地提高机器人末端点的定位和跟踪作业精度     

Model-free adaptive control of space manipulator under different gravity environment

Due to the release of gravity in the space environment, the dynamic characteristics of the space manipulator have changed compared with that of the ground, which results in the change of its tracking precision. This paper presents a model-free adaptive control(MFAC) strategy to track the desired trajectory under different gravity environment. A dynamic transformation method and full form dynamic linearization(FFDL) approach are selected to dynamicly linearize the system, which can better eliminate the complex dynamics that may exist in the original system. The controlled object uses the two degrees of freedom of space manipulator and the controller only depends on the desired angle and torque of each joint of the space manipulator. Moreover, the proof of stability is also provided. Finally, simulation results are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed strategy. It is shown that the proposed approach can achieve better trajectory tracking performance under different gravity environment without changing the control parameters, and the tracking precision can be significantly improved as compared with the proportional differential(PD) control results.     

基于绳驱动的多段柔性连续体机械臂的运动学与实验研究

经自然腔道手术机器人要求具有良好的灵巧性,但灵巧性的提高会产生运动学模型复杂且难以建模的问题。针对绳驱动的多段柔性连续体机械臂进行了运动学分析和实验研究。首先,以双段柔性连续体机械臂为原型,基于分段常曲率和神经网络的方法,建立了任务空间和驱动空间的正逆运动学映射模型。以任务空间变量连续体机械臂末端位置为神经网络的输入量,驱动空间变量驱动绳的拉伸量为神经网络的输出量,拟合出了连续体机械臂末端位置和驱动绳拉伸量的映射关系。最后,进行了连续体机械臂的弯曲运动和轨迹跟踪实验。实验结果表明：双段连续体机械臂弯曲角度可达180°,验证了连续体机械臂具有大角度弯曲能力;在连续体机械臂末端的圆轨迹跟踪实验中,连续体机械臂的末端在x轴、y轴、z轴方向的平均绝对位置误差为1.743、1.334和1.172 mm,验证了连续体机械臂的运动学模型的有效性。