机械臂系统在任务空间的脉冲跟踪控制

基于拉格朗日方程,在任务空间中研究机械臂系统的脉冲跟踪控制.在任务空间中,给定一个期望的时变轨道,设计脉冲控制器使得机械臂末端执行器能够跟踪到期望的轨道,并且将跟踪误差控制在期望的范围内.通过脉冲控制,机械臂只需在一些离散的时刻接收期望轨道的信息,这可以在很大程度上减少信息传输的负担.最后以任务空间中双连杆机械臂的跟踪...     

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.     

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.     

空间机器人抓捕非合作目标的自主强化学习控制

近年来,空间机器人在轨服务已成为许多国家的研究热点.本文针对空间机器人抓捕非合作目标任务,提出了一种强化学习控制与PD控制组成的双回路控制方法,对空间机器人基座平台姿态与机械臂运动进行控制.首先,对空间机器人的空间任务进行分析,建立包含基座平台姿态与机械臂运动的空间机器人耦合动力学模型;然后,设计双回路控制系统分别对机械臂运动与基座平台姿态进行控制,内回路中将强化学习与模糊理论结合在一起设计控制器对机械臂末端运动进行控制,外回路中采用PD控制对基座平台姿态进行稳定控制;最后,使用所提控制方法进行数值仿真,并与传统PD控制方法作对比,验证所提控制方法的有效性.结果表明,强化学习控制下的机械臂运动过程平稳、控制精度高,与传统PD控制方法相比,具有一定的自主学习性,更加适应抓捕目标的非合作特性.     

基于Kinect的冗余机械臂直线推移操作控制

研究了采用机械臂推移操作来解决不易抓取目标物的位置、姿态的改变问题.讨论了冗余机械臂系统的运动学建模和基于工作空间的改进RRT算法,给出一种基于Kinect的冗余机械臂直线推移操作控制模式.当Kinect检测到目标物处于危险位置时,机械臂系统首先会依据目标物的具体位置应用基于工作空间的改进RRT算法使机械臂按照指定的轨迹、位姿移动到目标位置;然后在平面二自由度的操作空间中,采用直线推移操作将目标物推移到指定安全位置.最后应用七自由度冗余机械臂系统验证了所提出的基于Kinect的冗余机械臂推移操作控制方法的有效性.     

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.     

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.     

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.     

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.     

空间机械臂直接驱动、挠性的输入成型控制

针对空间环境和空间任务的特殊性,以空间机械臂模拟实验系统为研究对象,利用空间机械臂动力学模型,设计了脉冲输入成型器.它借助输入成型技术的前馈控制方法,有效地消除机械臂完成跟踪运动的余振动,实验证明:该系统的运动状况能够满足控制系统的要求.     

大范围视觉伺服方法在空间机器人上的应用

为了克服人工维护卫星危险性高及成本昂贵等种种弊端,采用在卫星主体上安装一个空间机械臂、臂的末端安装单目摄像机的方法,无需远程遥操作控制,即可利用手眼视觉控制机械臂完成卫星的自我维护.在传统的基于位置的视觉伺服(PBVS)与基于图像的视觉伺服(IBVS)基础上,提出一种复合视觉伺服控制方法,通过在线估计目标的深度和旋转姿态来选择PBVS和IBVS控制器.该方法既具有两种伺服方法各自的优点,又保证了图像空间与笛卡尔空间轨迹的可控性.大范围运动(尤其是涉及到旋转伺服)时选择PBVS控制器,小范围运动时则使用IBVS控制器,从而实现了空间机器人的大范围完全自主视觉伺服控制.针对空间环境的特殊性,设计并实现了一种合作目标识别方法,确保了伺服系统能够在复杂的环境下快速稳定地提取伺服特征.实验结果表明,该方法在进行大范围视觉伺服时,伺服定位准确,对采样和标定误差具有鲁棒性.     

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.     

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.     

二阶非完整平面3R欠驱动机械臂位置控制

为解决中间关节是欠驱动的平面3R机械臂末端点位置控制问题,提出了一种基于轨迹规划与跟踪控制方法.根据系统数学模型、几何关系和期望位置,利用差分进化算法求解所有连杆的目标角度.首先,构造Lyapunov函数设计控制器使得第一、第三连杆到达目标角度;然后,根据系统约束关系,对第一连杆进行轨迹规划,并利用差分进化算法优化轨迹参数;当第一连杆跟踪轨迹后,第二连杆被间接控制到目标角度.最后,基于Lyapunov函数设计控制器使第一连杆跟踪规划轨迹,并维持第三连杆状态不变,使系统末端点从给定初始位置到给定期望位置.仿真实验表明,在33.94 s时,系统末端点能够稳定到目标位置(0.2,0.8) m,对于不同的初始位置和期望位置,轨迹规划与跟踪控制方法同样有效.     

PID神经网络混沌优化及其在机械臂轨迹跟踪控制中的应用

针对BP优化PID神经网络（BP-PDNN）易陷入局部极小的不足,提出了一种变尺度混沌优化PID神经网络设计方法,即MSCOA-PIDNN,将其应用于机械臂轨迹跟踪控制中.利用混沌运动的遍历性优化网络权值,通过压缩优化变量取值区间提高搜索效率.采用MSCOA-PIDNN建立机械臂系统的预测模型,以多步预测性能指标为目标函数,优化PID神经网络控制器,从而实现机械臂系统轨迹跟踪的有效控制.仿真结果表明,MSCOA-PIDNN在机械臂轨迹跟踪控制中性能优于BP-PIDNN.     

考虑未知负载的机械臂任务空间模糊跟踪控制

针对机械臂任务空间控制中动力学参数及负载均未知,导致末端轨迹跟踪难以实现的问题,提出了一种自适应模糊控制器(AFC)设计方法。采用一个滤波器滤除由末端位置微分获得的速度信号中的噪声;根据关节速度与Jacobian矩阵估计末端速度,并将估计误差引入控制器设计;通过另一个滤波器对误差函数进行处理。控制律由两部分组成,第一部分是一个模糊逻辑系统的输出,用来逼近机械臂动力学模型中包含摩擦等在内的非线性环节;第二部分是一个鲁棒项,用来减小系统外部扰动及模糊逼近误差带来的影响。通过Lyapunov方法设计控制器并证明了闭环系统的稳定性。Matlab环境下的对比仿真表明,本文所提方法下,机械臂末端跟踪轨迹平滑,且保持较高的跟踪精度。     

可重构机械臂自适应反演模糊滑模控制

为解决可重构机械臂各关节的位置跳变所导致的速度跳变问题,本文提出了基于生物启发策略的自适应反演快速终端模糊滑模控制方法.首先,利用模糊系统的万能逼近属性去估计机械臂各子系统中的不确定项及子系统间的耦合关联项;其次,在设计反演控制器时,引入生物启发模型,将由机械臂位置跳变所导致的虚拟速度跳变限制在一定范围,得到虚拟的中间变量,从而用它去代替控制律中的轨迹跟踪误差,保证了位置跳变时其轨迹跟踪输出依然平滑.该方法在不改变控制参数的前提下可解决不同构形可重构机械臂的位置跳变问题,最后通过对不同构形可重构机械臂的仿真验证了所述结论.     

基于模糊滑模变结构的工业机械臂控制系统研究

针对工业机械臂系统高精度的位置跟踪控制要求,提出了一种模糊滑模变结构控制器。该控制器将指令信号由滑模变结构控制器产生的滑模等效控制项和由模糊控制器产生的切换控制项相加作为运动指令信号,对机械臂伺服驱动系统进行最佳调整。仿真结果表明:其对系统数学模型的依赖程度小,具有响应速度快、鲁棒性强的特点,速度跟踪振荡现象也得到明显的抑制。     

大型空间柔性组合航天器动力学建模与控制

航天器在轨组装制造和在轨服务维护任务中,捕获航天器通过空间机械臂捕获目标航天器后,整个系统构成一个大型空间柔性组合航天器.本文首先建立了综合考虑机械臂关节、臂杆和航天器太阳翼等柔性部件振动影响的组合航天器动力学模型,采用非线性扭簧模型描述柔性关节,采用假设模态法和有限元法描述柔性臂杆和太阳翼,通过动量守恒和拉格朗日方法推导了柔性组合航天器的动力学方程.然后设计了柔性组合航天器轨迹跟踪与振动抑制复合控制系统,采用奇异摄动方法对组合航天器动力学模型进行了降阶分解,在快慢两种不同时间尺度内分别独立设计了控制器.最后通过数值仿真验证了建模和控制方法的有效性.仿真结果表明,本文所建动力学模型精确有效,能够准确反映柔性组合航天器的运动学和动力学特性;复合控制方法能够保证组合航天器在实现机械臂精确轨迹跟踪控制的同时有效抑制柔性部件振动,具有工程实用性.     

双臂空间机器人惯性空间轨迹的非线性反馈跟踪控制

讨论了载体姿态及位置均不受控制的自由漂浮双臂空问机器人系统的轨迹控制问题.首先,根据双臂空间机器人系统的动量、动量矩守恒关系及系统的Jacobian矩阵,得出机械臂末端抓手加速度与关节角速度、角加速度的关系.然后,根据Roberson-Wittenburg方法推导出系统动力学方程.以此为基础,设计了自由漂浮双臂空间机器人系统机械臂末端抓手惯性空间轨迹的非线性反馈跟踪控制方案.仿真结果证明了上述控制方法的有效性.