高集成度空间机械臂模块化关节的研制

采用大中心孔设计方法成功地研制了高集成度空间机械臂模块化关节.该关节具有多种传感器,包括位置传感器、力矩传感器、温度传感器等,它的所有电气系统都集成在关节内部,包括传感系统、驱动系统、控制系统和电源系统.采用中心孔走线方式实现了关节的内部走线,避免了空间环境对导线及其传输信号的影响.针对所设计的关节进行了必要的关节性能实验,结果表明该模块化关节具有高刚度、大负载特点,其关节的位置输出能精确跟踪期望的轨迹,位置精度非常高,达到了0.01°.     

关节片上位置伺服系统控制器的实现

提出了一种关节片上位置伺服系统控制器的设计方案,并在一片可编程逻辑器件(FPGA)中得到了具体验证和实现.该方案利用FPGA的硬件逻辑单元实现了关节内部所有传感器信息的采集、M/T法测速、电机的脉宽调制和矢量控制,并在FPGA内嵌入了NIOS II软核处理器和控制器局域网CAN总线控制器,实现了关节空间的轨迹规划、位置控制以及与主控计算机的CAN总线通讯.通过SOPC Builder工具实现了硬件逻辑单元和软核控制器的集成.实验结果表明,设计的关节片上位置伺服系统可有效地提高关节控制器系统的集成度,从而减小了电路板的尺寸,增强了系统的抗干扰能力和关节控制性能.     

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.     

基于FPGA的高性能关节伺服系统控制器实现

提出了一种基于NIOS Ⅱ软核处理器的全数字化的关节伺服系统控制器的设计方案.该方案不仅实现了电机的矢量控制算法、M/T测速算法以及SPWM算法,而且还实现了关节空间的轨迹规划、位置控制和力矩控制.同时在所设计的关节控制器FPGA内部嵌入了CAN控制器软核,实现了与主控计算机的CAN总线接口和关节控制器参数的在线调整.关节内部电流环控制采样频率为20 kHz,而位置环、力矩环的控制采样频率低于1 kHz.实验结果表明:关节系统的定位精度优于0.01°,由6个完全相同的关节构成的空间机械臂(臂长1.8 m),末端定位精度为±2.7 mm,完全满足空间机械臂系统的要求.     

柔性机械臂试探前行的碰撞响应控制策略

针对柔性机械臂在碰撞过程中的安全问题,仿照人类在黑暗环境中摸索前进的行为提出了一种试探前行的安全碰撞响应控制策略.控制器采用变刚度阻抗控制策略,先根据碰撞对象来调节系统刚度,以实现与被撞对象的软接触,然后控制器以当前位置为起点进行试探运动,若通过上一次碰撞点且无碰撞发生时,控制器恢复高刚度阻抗控制方式,以较高的精度到达目标位置.为了验证提出的控制策略,在4自由度机械臂上进行了碰撞试验,结果表明,该控制策略在无碰撞时具有良好的位置跟踪性能,在发生碰撞时能够有效地保护机械臂本体及被撞对象,从而克服了传统控制策略在碰撞时中止任务的缺点.因此,提出的控制策略是有效可行的.