柔性关节空间机械臂传感容错无模型自适应控制

针对传感信号畸变、丢失等故障状态严重影响空间机械臂控制系统性能的问题,提出基于空间机械臂运动传感器故障观测的无模型自适应容错控制方法。采用动态线性化和递推参数估计思想设计传感故障监测器,实现对传感畸变及数据丢失等故障的判定,并进行运动状态预测估计;建立包含跟踪误差变化率项的无模型自适应控制准则函数,有效惩罚由传感故障引起的参数估计突变问题;设计面向柔性关节空间机械臂的新型传感容错无模型自适应控制(SFT-MFAC)算法。仿真结果表明,在不同传感故障情况下,所提控制策略均能快速准确识别传感故障信息,避免系统瞬时发散,有效延长系统响应时间,增加控制系统的鲁棒性。

康复机器人PVDF柔性关节设计与驱动特性研究

针对康复机器人本体柔顺性差的问题,提出了一种新型的聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)凝胶基人工肌肉,将其作为康复机器人柔性关节致动器,期望实现类人动作。介绍了PVDF凝胶制备和电致变形机制,并由此设计了具备收缩和伸张功能的单体肌肉,进而将多个单体肌肉上下串联,组合构成层级人工肌肉;基于康复机器人柔性关节3层级人工肌肉,辨识其驱动数学模型,并进行了仿真与实验。结果表明,该人工肌肉能够有效地实现位置控制,具备电致收缩和扩张能力,作为致动器应用于柔性关节是可行的。

基于改进Preisach迟滞构架的工业机器人柔性关节深度神经网络迟滞建模研究

针对工业机器人柔性关节所具有非对称、速率相关及强非线性的复杂迟滞特性问题,改进Preisach模型,提出一种描述复杂迟滞特性的深度神经网络迟滞模型。从模型内部迟滞算子和外部网络结构两个角度改进Preisach模型,描述柔性关节的复杂迟滞特性:1)设计一个非对称非线性迟滞函数,替换Preisach模型内部迟滞算子,描述柔性关节的非对称迟滞特性;2)在Preisach模型输出端引入惯性滤波环节,在Preisach模型输入端引入输入输出历史信息,描述柔性关节的速率相关迟滞特性。将改进的Preisach模型与实现非线性映射的全连接神经网络串联构成深度神经网络迟滞模型。通过对比实验验证了所提出的深度神经网络迟滞模型描述工业机器人柔性关节复杂迟滞特性的有效性,其具有良好的预测能力和较高的精度。

柔性关节航空航天机械臂抗干扰控制研究

航空航天机械臂具有柔性且对精度要求高,为抑制空间环境力矩和内部参数变化等干扰,提出了一种基于干扰观测器的航空航天机械臂反步控制策略。首先,建立柔性关节航空航天机械臂受干扰时的单关节数学模型,基于数学模型设计柔性关节航空航天机械臂的非线性干扰观测器,保证其能稳定估计干扰信号;然后,基于Lyapunov函数设计反步控制器,将干扰观测器估计到的干扰估计值补偿到反步控制器端,产生抑制实际干扰的控制量;最后,利用MATLAB/simulink搭建虚拟仿真进行验证。仿真结果表明,基于干扰观测器的柔性关节航空航天机械臂反步控制器能够有效抑制干扰,极大地改善了柔性关节航空航天机械臂的抗干扰性能。

基于低通滤波器的柔性关节空间机器人时延估计跟踪控制

为解决位姿不受控情况下柔性关节空间机器人系统预抓取阶段的关节跟踪控制和振动问题,采用拉格朗日方程并结合动量守恒原理进而建立漂浮基三杆柔性关节空间机器人系统动力学方程。为提高柔性关节的等效刚度,引入关节柔性补偿的方法;即根据奇异摄动理论,将柔性关节空间机器人系统分解为慢变系统和快变系统。在此基础上,针对慢变系统设计以时延估计为主框架的滑模控制方法,同时与低通滤波器相结合消除滑模控制带来的系统抖振问题;针对快变系统设计线性速度差值反馈控制系统,抑制柔性关节给系统带来的柔性振动问题。通过仿真验证空间机械臂能够在有限时间内快速、稳定地跟踪上期望轨迹,证实该控制方案具有较好的鲁棒性和可靠性。

基于状态约束的柔性关节机械臂指令滤波控制

针对单连杆柔性关节机械臂系统,研究了全状态约束条件下机械臂末端位置的跟踪控制问题。利用障碍李雅普诺夫函数约束柔性关节机械臂的关节角位置和电机转角位置等状态变量的幅值,保证所有状态变量不会超出给定的限制区域。在此基础上,通过引入带有误差补偿的指令滤波控制技术克服了传统反步法存在的计算爆炸问题,设计了基于状态约束的指令滤波反步控制器。最后,基于李雅普诺夫稳定性理论证明了柔性关节机械臂系统的稳定性,并通过仿真实验验证了所设计的控制器能够有效保证系统的状态约束性能和位置跟踪精度。

柔性关节弹性组件的设计和试验分析

设计了一种用于柔性关节的弹性组件,提出交叉弹簧片型弹性组件的设计思路、设计方法和设计理念。首先,设计规划柔性关节结构组成,基于梁约束条件和本构关系对弹性组件进行力学建模,确定柔度矩阵和刚度矩阵具体项,同时对柔性关节运动端进行动力学建模;然后,对弹性组件进行实例设计,通过有限元分析进行设计验证,对运动过程中柔性关节的模态频率和振型位移进行仿真;最后,搭建试验系统,对弹性组件实例设计进行试验,计算其旋转刚度。通过交叉验证,并取三组数据样本进行分析,结果显示,设计的弹性组件理论值、仿真值和实验值三者之间的一致性较好,第一组三者之间最大误差为7.59%,第二组最大误差为4.32%,第三组最大误差为6.70%,由此表明了利用梁约束理论和本构关系设计弹性组件的可行性。提出的柔性关节弹性组件有一定的通用性,不仅能应用于关节式机械臂,还能应用于康复机器人、仿生机器人领域,为机器人柔性关节的设计提供了一种新的思路。

全状态约束下柔性关节自由飞行空间机器人有限时间指令滤波鲁棒跟踪控制

针对存在外部扰动、动力学耦合及全状态约束的柔性关节自由飞行空间机器人轨迹跟踪控制问题,基于拉格朗日方法建立了基座位置/姿态受控的柔性关节自由飞行空间机器人动力学模型,提出了一种全状态约束有限时间H∞轨迹跟踪控制方法。在带有滤波误差补偿的指令滤波反步法控制框架下,结合障碍Lyapunov函数和有限时间理论,设计了一种指令滤波有限时间全状态约束控制方法,将系统状态始终限定在约束区间内的同时,保证系统的有限时间收敛性能。此外,采用H∞控制理论抑制外部扰动的影响。通过Lyapunov稳定性定理证明了系统所有状态变量能够在有限时间内收敛至原点的任意小邻域内。仿真验证了所提控制方法的有效性和鲁棒性。

基于多弹簧片的变刚度柔性关节的设计与研究

机器人碰撞防护是必要的,人机交互安全是机器人设计的重要指标之一.本文基于双滑块和滚珠丝杆机构,提出了一种含有4弹簧片的闭环伺服可变刚度柔性关节.根据悬臂梁结合模型的非线性静力学关系,导出了关节刚度随弹簧片有效长度变化的表达式,以变刚度的动力模型为基础,设计了可编辑逻辑控制器刚度调节控制系统.在完成了变刚度关节的设计制作基础上,进行了关节的变刚度实验,验证了刚度控制系统的可靠性和刚度计算模型的正确性.该关节具有实时动态的刚度调节功能,可以满足机器人碰撞防护的安全保护需求.

单连杆柔性关节机械臂的高阶滑模控制器设计

针对单连杆柔性关节机械臂系统,提出了一种基于高阶滑模算法的有限时间镇定控制方法。所提出的方法涉及两个关键方面。首先,通过引入加幂积分器,设计了一个新的李雅普诺夫函数,使得输出信号在有限时间内收敛。其次,利用符号函数抑制了系统不确定性造成的抖振现象。基于有限时间李雅普诺夫稳定性理论,证明了该算法能够保证滑动变量在有限时间内收敛到原点。最后,单连杆柔性关节机械臂的仿真结果验证了高阶滑模控制算法的有效性。

带电抢修机器人液压柔性关节多机械臂协同控制

液压柔性关节多机械臂是一种利用液压系统控制的多段柔性结构机械臂,当电力系统同时出现多处故障时,就需要带电抢修机器人的液压柔性关节多机械臂完成协调控制。而多机械臂在协作完成抢修任务的过程中,多机械臂的操作空间存在相互重叠部分,影响抢修任务的工作效果,为此,提出一种带电抢修机器人液压柔性关节多机械臂协同控制方法。基于机器人液压柔性机械臂协同控制结构,确定机器人多机械臂的基础控制参数,构建用于提取示教轨迹特征的高斯混合模型,并计算模型重要参数,将示教轨迹特征提取结果与滑模控制原理结合在一起,以李雅普诺夫全局稳定性定理为依据,使机械臂系统整体处于稳定状态,实现液压柔性关节多机械臂的协调控制。实验测试结果表明,所提方法可以控制机器人的4个机械臂按照示教轨迹和预先设定好的速度协同运行,各个机械臂之间互不干扰,共同完成带电抢修任务。

工业机器人柔性关节轨迹跟踪误差自动化校正

常规的轨迹跟踪误差自动化校正,主要采用分析干扰变量进行误差校正,忽略了柔性关节姿态角对约束参量的影响,导致误差校正值结果较小。因此,提出工业机器人柔性关节轨迹跟踪误差自动化校正研究。建立工业机器人运动学模型,通过工业机器人柔性关节的仰俯角和横滚角综合计算姿态角,进而得出柔性关节的约束参量,计算校正系数完成连续性的轨迹跟踪自动化校正。实验结果表明:所提方法应用后得出的误差校正值结果较大,均值为0.2 rad,校正效果较优,满足工业机器人的现实应用需求。

柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模方法

在复杂多变的作业环境中,柔性关节机械臂面临碰撞风险高、避障路径规划不灵活等痛点问题,严重影响其作业效率与安全性。因此,文章提出了一种柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模方法。首先,采用B样条曲线对机械臂期望路径进行参数化描述,使机械臂能够更自然地绕过障碍物;其次,在运动控制策略中嵌入速度修正机制,根据实时感知到的障碍物距离动态调整机械臂的运行速度;再者,综合考虑机械臂的动力学特性、环境约束及避障需求,构建统一的数学模型;最后,通过在实际工作环境中实施一系列对比试验,验证所提方法相对于传统避障策略的优越性。

基于极点配置方法的机器人柔性关节转速抑制策略研究

针对含有柔性关节的机械臂易出现转速波动的问题,在PI控制策略的基础上利用极点配置的方法优化控制器参数,进而通过提高输出转速精度的方式减弱机械臂的振动程度。首先,根据双惯量模型建立机械臂中柔性关节的动力学模型,进而通过动力学模型的数学表达式获得柔性关节的状态空间方程;其次,根据状态空间方程求得电机转速到电机电磁转矩的传递函数;第三,采用基于相同幅值的基于极点配置的PI控制策略优化控制器参数,并分析不同的极点参数对于系统动态特性的影响;最后,为了验证所提出控制策略的有效性,利用MATLAB对机械臂柔性关节伺服系统进行数值仿真实验,并搭建柔性关节的物理样机控制实验平台开展输出转角控制实验。数值仿真实验和物理样机控制实验表明:该文所提出的控制策略可通过适当选择极点参数使系统获得良好的动态特性,相比于传统的PI控制策略能够提高输出转速控制精度、抑制机械臂振动。

柔性关节机器人抓取末端振动自动化控制方法

为了提高柔性关节机器人抓取末端振动控制精度,该文提出柔性关节机器人抓取末端振动自动化控制方法。对柔性关节机器人展开系统动力学分析,构建奇异摄动模型定义柔性关节机器人系统的运动方程。设计柔性关节机器人的优化控制器,构建控制误差代价函数。利用拉格朗日法获取函数最优解,实现柔性关节机器人抓取末端振动自动化控制。实验结果表明,该方法能够有效抑制柔性关节机器人末端振动信号,相位控制误差均在0.02°以内,抑振措施的上升时间低于7.66 s,末端控制精准度高、效率高、性能好。

柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模

针对柔性关节机械臂在避障完成后位姿与目标位姿存在一定偏差的问题,提出柔性关节机械臂避障路径自动控制数学建模方法。将五次B样条曲线作为柔性关节机械臂避障路径规划的基础,在避障任务中引入速度修正项,通过关节角和关键点避障速度确定速度修正项取值。建立避障路径自动控制数学模型,利用该模型控制柔性关节机械臂在到达目标位置过程中实现障碍物精准规避,完成柔性关节机械臂避障路径自动控制。实验结果表明,所提方法能够减小位姿误差,平稳关节波动,实际应用效果较好。

柔性关节的复合动态面控制仿真研究

针对柔性关节机械臂轨迹跟踪控制中存在参数不确定性、建模误差和未知扰动等问题,为了保证柔性关节系统的控制精度,在建立其等效动力学模型的基础上,提出了一种新的复合动态面控制策略.该策略包含动态面控制技术、参数自适应算法、神经网络逼近器、鲁棒补偿器以及约束处理方案.首先,利用动态面控制技术进行控制器的设计,消除了反步法的“复杂性爆炸”问题.其次,采用参数自适应算法处理柔性关节系统动力学模型中的参数不确定性,神经网络逼近器用于在线逼近和补偿模型中的不连续摩擦、建模误差和未知扰动,鲁棒补偿器负责前两部分的残余误差,同时设计约束处理方案满足误差规定性能约束和提高控制器对神经网络近似误差和未知扰动的鲁棒性.再次,构建具有预测误差的复合学习自适应律,提高控制器对模型不确定项的补偿精度.李雅普诺夫稳定性分析表明,所提出的策略保证了闭环系统中的所有信号都是半全局一致最终有界的,跟踪误差最终以规定性能收敛到零附近的一个小邻域.最后,在Simulink环境中,基于单连杆柔性关节系统对该控制策略进行对比仿真验证,结果表明:该复合动态面控制策略能够显著提高柔性关节系统的跟踪性能并降低其超调量和稳定时间,验证了该复合动态面控制策略的有效性和优越性.

二连杆柔性关节机械臂轨迹跟踪控制方法

为解决应用传统方法导致的关节角度偏差大、轨迹控制效果不佳等问题,提出一种二连杆柔性关节机械臂轨迹跟踪控制方法。先分析轨迹控制阶跃响应时间过长的原因,然后以现有柔性关节轨迹控制器为基础,引入径向基神经网络模型,最后采用拉格朗日第二类方程和系统动量守恒定理明确训练函数,构建机械臂轨迹控制器模型,以实现机械臂轨迹的控制。实验结果表明,应用所提方法进行控制时,其阶跃响应时间约为1.1s,轨迹控制偏差为0.7mm,关节调整角度误差仅为0.05rad,有效降低了阶跃响应上升时间和轨迹控制偏差,提高了对二连杆柔性关节机械臂轨迹的控制精度,具备一定应用价值。

基于多模输入整形的柔性关节振动抑制研究

针对常规输入整形技术应用于具有非线性和时变特性的系统时振动抑制效果明显降低的局限性,提出多模Jerk-Limited输入整形算法。该方法通过引入振动频率在线辨识算法和设计延时补偿算法,提高输入整形算法的鲁棒性,并在不降低多模输入整形算法效果的基础上,减小输入整形引入的延时。结果表明:基于柔性关节的伺服系统仿真模型,多模输入整形算法对柔性系统的振动抑制程度可达90%左右,且延时时间降低87%左右。

考虑误差和时间最优的柔性关节驱动电机抗饱和控制

针对PID控制下柔性关节驱动电机的饱和问题,研究了一种考虑误差和时间最优的抗饱和控制方法。构建以系统跟踪误差和调节时间为优化目标,以驱动电机饱和上限为约束条件的优化模型,提出基于多目标模拟退火算法(MOSA)和莱文贝格-马夸特算法(LM)的MOSA-LM-PID组合优化方法;先利用MOSA的全局收敛能力得出PID参数最优解所在区域,再利用LM的局部快速收敛能力将近似最优解拟合为全局最优解,避免了MOSA的无效搜索,提高了收敛速度和精确度;针对MOSA算法一次随机权重可能造成优化偏重的问题,设计了一种考虑当前周期各目标优化情况的目标函数权重赋值方法。仿真与实验结果表明,MOSA-LM-PID的调节时间小于0.5 s,最大跟踪误差小于1.5%,且控制力矩的饱和度小于50%,均优于PID和MOSA-PID控制,有效改善了柔性关节的动态性能,提高了系统抗饱和能力。