基于非接触自适应阻抗控制的液压机械臂主/被动联合柔顺控制

本文引入非接触阻抗控制理论对间接自适应阻抗控制进行改进从而获得非接触自适应阻抗控制。借助MATLAB/simulink仿真平台,将非接触自适应阻抗控制作为液压机械臂的主动柔顺控制并与关节的被动柔顺控制相结合,从而实现对关节的主、被动联合柔顺控制。仿真结果表明,主、被动联合柔顺控制效果较理想,可使机械臂在与环境接触时兼具较好的运动性能与较高的安全性能。     

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.     

液压伺服被动柔顺关节的柔顺特性分析

为了提高输出力矩较大的液压机械臂类机器人的人机物理接触安全性,本文设计了一种液压伺服被动柔顺关节,首先介绍了该关节的结构、基本工作原理及液压控制系统动力学模型,然后借助MATLAB/Simu-link工具箱建立关节系统模型并进行碰撞仿真实验,还通过模拟实验优化了相关参数.模拟结果表明,液压伺服被动柔顺关节具有良好的柔顺...     

轻型柔顺机械臂结构设计与控制

为了使机械臂具有较好的位置跟随性和人机交互时的安全性,设计了一款3DOF的轻型柔顺机械臂.采用碳纤维材料实现轻量化,设计了串联弹性驱动器(SEA)实现机械臂结构的柔顺性.建立了3DOF轻型柔顺机械臂的运动学和动力学模型,并求解了工作空间;设计机械臂的位置控制实验,通过MTI位姿传感器来获取机械臂末端位姿,提出了MTI位置误差修正的方法.实验表明:当机械臂处于自由状态时,通过对比机械臂各关节和MTI末端位置的跟随性能,得知1,2,3各关节的位置跟随误差分别为7%,5%,2%,末端X,Y,Z3个方向的最大位置误差分别为19.25%,14.43%,6.4%,证明该机械臂末端具有较好的位置跟随性.     

计及环境特征的刚-柔机械臂动力学模型及其控制策略

为了实现柔性机械臂主动柔性控制，基于Kane方程推导建立在惯性参考坐标系中的刚-柔机械臂的非线性动力学模型，并利用假设模态的方法对方程进行离散．在对刚-柔机械臂进行主动柔顺控制时，柔性机械臂要受到未确定外部环境的约束，因此，建立了计及环境特征的一般柔性多体系统动力学模型以及计及环境特征的刚-柔机械臂动力学模型，并分析研究了刚-柔机械臂主动柔顺控制策略．     

多段线缆驱动连续型空间机械臂建模与控制

该文针对一类带有弹性杆的新型多段线缆驱动连续型空间机械臂的建模与控制问题开展研究,基于刚体等效建模思想建立了机械臂的几何模型。对每节机械臂进行单元划分,将各单元上的弹性杆等效为轻质连杆。在此基础上,应用欧拉-拉格朗日建模方法,建立了多段线缆驱动连续型空间机械臂动力学模型。针对系统中存在的参数不确定性与外部时变干扰,基于Lyapunov稳定性理论,提出了一种基于非奇异终端滑模有限时间控制(NTSMFC)的连续型机械臂控制方法。仿真结果表明：与比例-微分(PD)控制器相比,NTSMFC能在有限时间内快速跟踪期望姿态角,PD控制器的姿态跟踪快速性较低;NTSMFC姿态角稳态误差为±0.002 rad, PD控制器姿态角稳态误差为±0.01 rad。     

四自由度柔性关节机械臂的动力学分析

关节是机械臂的核心部件,在机械臂动力学中起着重要的作用,精确的关节动力学模型是机械臂系统设计、分析和控制的基础．以四自由度机械臂为研究对象,首先给出柔性关节机械臂的简化模型,然后运用Lagrange方法建立了考虑关节柔性和电气特性动力学方程．     

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.     

一种仿人机械臂的动力学建模和固有频率研究

气动肌肉驱动器因能很好地解决机械臂柔顺性的问题,其在仿人机械臂上的应用已经成为了研究热点。但目前针对机械臂的建模多忽略驱动器质量,或考虑为集中分布情况,同时一般考虑关节铰为线弹性扭簧。这些假设不太符合气动肌肉驱动器的实际力学性能。因此通过D-H法建立了一种仿人机械臂结构的运动学模型,核算了其奇异位形。通过能量法建立了驱动器质量分散分布下的仿人机械臂的动力学模型;通过假设模态法进行离散化,得到标准特征式方程。基于Wolfram Mathematica 9进行编程,获得了该仿人机械臂在两个关键的奇异位形之间运动时,其固有频率随关节角度和关节铰刚度变化的形式。     

基于动力学模型分块逼近的水下机械臂RBF滑模控制算法研究

本文利用切片理论与Morison方程计算了双关节水下机械臂在水中运动时受到的附加质量力、水阻力和水体流动对机械臂产生的冲击力,在传统机械臂动力学模型的基础上建立了完整的双关节水下机械臂动力学模型.基于推导的水下机械臂动力学模型提出了一种RBF滑模控制策略,采用多个RBF神经网络对水下机械臂动力学模型中的不确定项进行分块...     

基于Lyapunov稳定性的多自由度机械臂滑膜控制

针对轨迹跟踪控制,精确的动力学模型难以建立的问题,首先,分别采用基于估计模型和基于模型上界两种方法,设计出不同的滑膜控制器,并通过Lyapunov稳定性定理从理论上证明了控制器的稳定性。其次,结合两自由度平面机械臂给出了其动力学方程线性化的推导过程,最后,通过仿真实验验证了控制算法的有效性。     

基于扩张状态观测器的机械臂分散自适应模糊控制

针对机械臂控制中各子系统间交联项难于处理的问题,提出了一种基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)和模糊策略的分散控制方法.将机械臂系统考虑为各关节交联子系统的集合,采用扩张状态观测器去实时估计机械臂各关节间的状态、耦合交联项及非线性项,利用模糊系统去逼近机械臂动力学模型中的建模不确定项,从而设计分散自适应模糊控制器以实现机械臂的轨迹跟踪控制,给出了控制器中参数的自适应更新律,并对该控制器进行了Lya-punov稳定性分析.最后将该方法应用于一个4自由度机械臂的轨迹跟踪控制中,仿真结果表明了该方法对处理耦合交联项及在各关节轨迹跟踪控制中的有效性.     

无传感器机械臂碰撞估测及处理策略研究

针对机械臂在工作过程中与人体发生的意外碰撞,提出了一种新型碰撞力估测方法和接触碰撞后安全响应控制策略。当检测到的碰撞力矩超过设定动态限值的力矩时,系统认为碰撞发生。当碰撞发生时为了保证碰撞对象与机械臂的安全,系统采用PID控制策略使得机械臂远离事故现场。该控制策略将碰撞作为一种扰动,作用于机械臂的每一处关节上。即将复杂的空间动力学的运算简化到了关节处二阶线性系统的控制。以UR机器人为例,模拟了工业现场的情况。首先进行了仿真分析,而后在UR机器人安全模式内(碰撞力小于150 N)进行了碰撞试验。实验结果表明提出的碰撞力估测方法与控制策略实现了机械臂"碰撞—躲避—恢复工作"的功能,能够有效的保护被撞对象以及机械臂本体。     

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.      

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.     

液压伺服柔顺关节的变刚度设计与研究

为了提高输出力矩较大的机械臂类机器人的人机物理接触安全性,本文设计了一种大转矩、刚度可连续变化的液压伺服柔顺关节。首先介绍了关节的结构、伺服机理以及阀控泄漏流量调节关节刚度的原理,然后建立了具有阀控泄漏流量的关节动力学模型,最后借助MATLAB/Simulink工具箱建立关节系统模型,研究了阀控泄漏流量对关节动态特性和刚度的影响。模拟结果表明,随着阀控泄漏流量的增加,系统的位置跟随性变差,位置误差相应增大,关节的刚度则随之降低。     

空间五指灵巧手单指力柔顺控制系统设计

为了可靠稳定地抓握物体,空间五指灵巧手大多采用主动柔顺控制方法。针对单指研究了腱空间和关节空间两种阻抗控制方法。基于所研制灵巧手系统参数建立的动力学模型,对两种方法进行了仿真分析。仿真结果验证了腱张力分配算法和两种控制器设计的有效性。关节空间控制方法消除了耦合效应,从而具有更好的跟踪性能。     

含柔性关节的轮式移动机械臂的动力学分析

开展了含有柔性关节的轮式移动机械臂的动力学特性研究。基于多体系统离散时间传递矩阵法（discrete time transfer matrix method of multibody system, MS-DT-TMM）建立了车轮、车体、柔性关节和机械臂的动力学方程,进而得到平面轮式移动柔性机械臂的整体动力学模型。在不平路面的激励下,分析机器人系统的动力学特性,并讨论柔性关节对系统的影响。数值仿真结果验证了基于MS-DT-TMM模型的可行性和有效性,与刚性结果对比分析表明,由柔性关节引起机械臂的弹性振动,直接影响机器人末端的操作精度,说明考虑关节中柔性因素的必要性。     

基于无源观测器的机器人笛卡尔空间力/阻抗控制方法研究

许多由机器人完成的任务都需要机器人与外部环境接触。在如抛光、去毛刺和装配作业中都需要执行精确的力控制。由于环境模型的不准确在力控制过程中当机器人与环境脱离接触时可能与周围环境发生激烈碰撞。针对此问题提出了基于无源观测器的力控算法。通过分析系统无源性, 研究了笛卡尔空间力/阻抗控制的稳定条件。发现只有力控制器的输出会破坏系统的无源性,根据系统无源性的分析结果设计了使用无源性观测器的力/阻抗控制器。在MATLAB仿真环境中对力/阻抗控制控制算法和基于无源性观测器的力/阻抗控制进行仿真验证。仿真结果表明基于无源性观测器的力/阻抗控制器在机器人末端工具与环境脱离接触时能够有效降低机械臂移动速度,减小对周围环境的冲击力。     

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。