双柔性杆机器人力／位置控制的动力学建模

在研究“刚－柔”双连杆受限柔性机器人模型的基础上,通过理论推导建立了力／位置控制问题中的一类平面双柔性杆受限柔性机器人臂的动力学模型,该模型同一般刚性机器人的动力学模型相似,且模型简明、准确。这样有可能利用一般刚性机器人的理论研究结果来研究复杂的平面双柔性杆柔性机器人臂问题。为进一步研究受限柔性机器人力／位置控制问题提供了理论依据。     

一种前馈补偿和模糊滑模相结合的柔性机械臂控制

针对柔性关节机器人控制系统中存在的扰动力、摩擦力、参数变化以及建模误差等问题,将扰动力分为确定性扰动和不确定性扰动、摩擦力分为线性和非线性部分,并在此基础上提出了一种前馈补偿和模糊滑模相结合的鲁棒控制器.机器人自身结构的相关量、确定性扰动以及摩擦力的线性部分,可以通过控制器的计算力矩和前馈补偿部分进行有效控制,并通过模糊滑模控制器来克服外界的不确定性扰动、摩擦力的非线性部分、参数变化以及建模误差等.在HIT四自由度柔性机械臂上进行了控制器的相关实验,实验结果表明,该控制器具有良好的位置跟踪性能和较强的抗干扰能力.     

变姿态柔性机械臂横向振动主动控制理论与实验

综合模态控制和极点配置方法来抑制变姿态柔性机械臂的横向振动.建立了工程适用的柔性机械臂回转系统简化动力学模型,通过模态滤波器和状态观测器实现机械臂末端横向加速度到模态速度和模态位移的转换,结合极点配置法获得当前姿态下系统的模态增益系数,可计算得到模态控制力和实际控制力.实现了基于NI控制器和回转液压作动器的主动控制实验系统,开展了变姿态条件下柔性机械臂横向振动主动控制实验,结果验证了上述方法对变姿态条件下柔性机械臂横向振动抑制的有效性.     

柔性机械臂控制方法的研究

针对柔性机械臂的控制难点,在纵观柔性机械臂控制现状的基础上,提出了利用广义预测控制方法对柔性机械臂进行控制。实验结果表明,广义预测控制方法对柔性机械臂的控制是有效的。为柔性机械臂的进一步研究提供了理论指导及重要的前提条件。     

无末端力传感器的可重构机械臂分散力控制

针对存在关节摩擦和外扰的可重构机械臂系统在受限空间内的力控制问题,提出一种无需使用力传感器即可同时控制受限空间内机械臂力和位置的分散阻抗内环/力外环控制方案.采用模糊系统逼近机械臂系统中的不确定项及子系统间的耦合关联项,通过基于模糊预测的力外环控制器为内环的阻抗控制器提供参考轨迹,并利用模糊系统逼近实际的接触力.该方案为没有力传感器情况下的可重构机械臂的力控制提供了一种可能的解决方案,且模糊预测调节参考轨迹的阻抗内环控制使机械臂具有一定的柔顺性,能较好地实现机械臂由自由空间向受限空间的过渡.通过对2自由度平面机械臂和3自由度机械臂的仿真验证了该方法的有效性.     

双柔性机械臂伺服系统PI控制策略

柔性机械臂系统中的负载柔性、关节柔性会导致输出转速波动，故使用PI控制策略对伺服系统进行控制.根据连续体振动理论和拉格朗日方程建立同时考虑负载和关节两种柔性的动力学模型，并分析了两种柔性对系统传动特性的影响.使用Arnoldi方法对传递函数进行降阶，并对降阶误差进行评价.采用极点配置方法设计控制器参数，讨论了极点阻尼系数、自然频率等对系统动态特性的影响.最后进行双柔性机械臂的仿真分析和转动控制实验，结果表明：适当调整控制器参数可以有效减弱柔性机械臂伺服传动系统末端的转速波动，进而抑制机械谐振现象，使系统趋于稳定.     

受限柔性机器人力／位置控制装置,建模与辨识

介绍作者研制的受限柔性机器人力／位置控制装置并讨论了此装置的动力学建模,经推导得到了受限柔性机器人的动力学模型,该模型同一般刚性机器人的模型相似且模型结构简明．最后用实验等方法辨识了模型的相关参数,对深入研究受限柔性机器人力／位置控制的理论与实验仿真有极大的参考价值．     

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。     

柔性机械臂动力学建模与控制方法研究进展

柔性机械臂具有质量轻、惯性小、能耗低等优点,随着机器人技术的发展,针对柔性机械臂的精确建模和有效控制成为国内外学者的重要研究课题。从柔性机械臂动力学建模和动力学控制方法两方面,介绍了近十年国内外学者的研究现状和最新技术的发展,在此基础上对各种方法的优缺点进行分析和比较,并对今后的发展进行了展望。     

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。     

三自由度柔性受限机器人的动力学建模

为了提高处于受限运动状态的柔性机器人的控制精度，研究了一类三自由度柔性受限机制人的动力学建模问题，将其抽象为一平面三连杆受限机器人系统，利用D^,Alembert-Lagrange原理得到了一组由机器人各关节转角和柔性连杆的振动方程表示的该机器人的动力学模型。该模型在形式上与传统的无约束刚性机器人的动力学模型非常相似，具有模型精确的特点，从而为有效地控制此类机器人系统的运动和位姿提供了理论依据。基于此动力学模型，采用MATLAB对该机器人系统进行计算机编程仿真计算。仿真计算结果表明，该机器人系统的模型是可行且有效的。     

结构与控制系统的一体化设计--柔性臂和控制系统的融合设计

将结构柔性动力学理论和现代控制理论相结合,以单输入输出的柔性臂控制为例,在机械系统的转动惯量最小化、一阶固有频率最大化和系统暂态响应控制能量最小的多目标评价下,通过柔性臂的结构尺寸、驱动力的作用位置和系统状态反馈的增益等设计变量的融合设计,实现柔性臂机电系统暂态响应等综合性能的提高．提出了对于多刚体多柔体耦合的复杂机电系统设计,应用模态法降低控制器维数,通过融合设计实现机电耦合设计的方法．从复杂的结构、控制系耦合特征出发,提出了结构与控制系统一体化工程设计的实现方法．以传统的结构和控制反复设计为比较对象,证明了此方法对于解决机械结构参数和控制参数之间的强耦合、提高系统综合性能的有效性．     

基于函数联接神经网络液压驱动机械手的自学习控制

针对两自由度液压驱动机械手的轨迹跟踪控制问题,分析研究了神经网络自适应控制的特点,在此基础上提出了基于函数联接神经网络液压驱动机械手的自学习控制结构与控制算法·其控制结构着重智能知识的加强;控制算法以PD形学习规则为基础,运算结果不是直接参与控制,而是根据控制器作用于系统之后所产生的误差及其微分对控制器作出评价和修正·仿真和实验研究都取得了比较好的控制效果·     

An effective algorithm for needle tip displacement compensation in robot-assisted percutaneous surgery

This paper presents an automatic compensation algorithm for needle tip displacement in order to keep the needle tip always fixed at the skin entry point in the process of needle orientation in robot-assisted percutaneous surgery.The algorithm, based on a two-degree-of-freedom (2-DOF) robot wrist (not the mechanically constrained remote center of motion (RCM) mechanism) and a 3-DOF robot arm, firstly calculates the needle tip displacement caused by rotational motion of robot wrist in the arm coordinate frame using the robotic forward kinematics, and then inversely compensates for the needle tip displace-ment by real-time Cartesian motion of robot arm.The algorithm achieves the function of the RCM and eliminates many mechanical and virtual constraints caused by the RCM mechanism.Experimental result demonstrates that the needle tip displacement is within 1 mm in the process of needle orientation.     

机械臂刚体运动防冲突角度最优输出方法

机械臂刚体运动防冲突角度输出方法存在防冲突角度控制精度低、易出现碰撞的弊端;因此,提出一种机械臂刚体运动防冲突角度最优输出方法。利用拉格朗日法获取机械臂被动关节动力学方程式,通过振幅控制方法控制机械臂被动关节位置,实现对机械臂刚体运动防冲突角度的最优输出。实验结果表明,相对于传统方法,控制下的机械臂刚体运动防冲突角度输出值较优,控制过程中位置误差与稳态误差较小,有效实现了机械臂运动的防碰控制。     

基于神经网络的柔性机器人混合力/位置控制

建立了柔性机器人的动力学模型,并根据实际情况对模型作了相应的假设,给出了简化的准静态模型,提出了一种基于神经网络的混合力／位置控制方法,它主要包括两个部分：辨识网络和学习网络,仿真结果证明所设计的控制器是可行的。     

受限双连杆柔性臂力/位置鲁棒控制

研究了受约束双连杆柔性臂的力／位置鲁棒控制。基于假设模态法导出受约束双连杆柔性臂系统的动力学方程，利用奇异摄动理论将其分解为慢变和快变两个子系统。针对慢子系统，基于力反馈设计了动态混合控制器；针对快子系统，设计带低通特性的最优控制器。由此得到的组合控制使柔性臂的末端轨迹和接触力得到精确控制。仿真结果表明该方法的有效性。     

柔性机械手测速反馈消振的理论与实验研究

在柔性机械手的研究中，如何在实现定位目标的同时快速消除柔性振动，是控制实现中的一个主要问题。本文首先对柔性机械手测速反馈消振的理论基础进行了研究，讨论了该方法对系统稳定性和耗散性的影响；进而探讨了测速反馈在两关节柔性机械手的实现问题。最后给出了易于工程实现的测速桥方法，实验证明，它可以有效地抑制柔性振动。该方法经济简单，可靠性高，在空间机器人领域中有着广泛的应用价值。     

小摆角两轮机器人动力学建模及控制器设计

针对现有两轮机器人转弯速度较低问题,提出一种可轴向摆动的新型两轮机器人设计方法. 该方法使用连杆控制机构摆动来调整机构的重心分布,实现机器人在小转弯半径条件下稳定运动的目的. 基于拉格朗日方程方法,对机器人的小摆角自由度进行了动力学建模与分析,得到了系统动力学模型,并在此基础上设计了一种状态反馈控制器. 运用Matlab/Simulink进行控制器系统仿真,验证了控制器在机器人稳定控制方面的有效性. 结果表明,该两轮机器人机构设计思路及运动控制手段可有效提高系统运动稳定性.      

建立在画法几何模型基础上的机械手间接位置问题的解

本文提出了把解析法与图解法结合的方法来求解机械手控制中的间接位置问题。首先运用画法几何图解法直观明了地解出这个问题,然后把图解过程作为一个几何模型,只要利用投影图上的几何关系,即可推导出适合计算机控制的数学模型。本文以6R机械手为例说明了具体的解题过程。