连续型机械臂逆运动学求解算法研究

针对连续型机械臂逆运动学难以求解问题,这里研究了一种面向线驱动三段九自由度连续型机械臂的逆运动学求解方法,利用分段常曲率的方法建立连续型机械臂的运动学模型,在此模型基础上提出了能够有效求解连续型机械臂逆运动学的算法。通过文中提出的逆运动学算法,能够在连续型机械臂的工作空间内实现点对点的逆运动学快速求解,从而实现连续型机械臂在空间指定轨迹的运动。最后,利用连续型机械臂直线运动仿真和圆弧运动仿真验证了所提算法的有效性,算法能够实现连续型机械臂在工作空间中的逆运动学求解。

刚性航天器的预定义时间滑模控制

针对刚性航天器在姿态跟踪控制中存在的系统不确定及外界干扰等问题,提出了一种预定义时间滑模控制器(PTSMC)。首先,给出了以四元数为姿态参数的航天器姿态跟踪控制系统,利用误差四元数和误差角速度设计了预定义时间滑模面。然后,考虑了航天器系统的不确定性和外界干扰设计了一种非保守上界的PTSMC,并通过边界层技术降低了系统抖动。最后,通过设计Lyapunov函数,证明了所提出的控制器的预定义时间稳定性和系统收敛时间上界的非保守性。仿真结果表明,刚性航天器的姿态跟踪误差精度可达1.5×10^(-6) rad,角速度跟踪误差精度可达2×10^(-6 )rad/s。与现有的预定义时间控制器相比,所提出的控制器的稳定时间上限是更加非保守的,与传统PD控制和非奇异终端滑模控制相比,所提出的控制器具有更高的跟踪精度和鲁棒性。通过3自由度气浮平台的姿态跟踪实验进一步说明了控制方案的有效性,其中角度跟踪误差小于0.1 rad,位置跟踪误差小于0.2 m。

基于灰狼算法的模块化关节摩擦辨识和补偿

针对模块化关节,设计了一套离线辨识方法,对关节的摩擦模型进行了辨识,并对摩擦力进行了补偿。首先,介绍了该模块化关节的结构和控制系统,建立了关节的动力学模型。然后,基于LuGre摩擦模型对关节摩擦力进行了建模,分别用灰狼算法和分段最小二乘配合伪随机序列法辨识了模型的参数,并进行对比分析。最后,设计了基于LuGre摩擦模型的前馈补偿算法,并进行了实验验证。实验结果表明:相较于分段最小二乘法,灰狼算法的辨识精度提高了19.2%;给定幅值为1(°)/s,频率为10 Hz的正弦速度信号,摩擦补偿使关节速度跟踪误差从0.295(°)/s减少为0.183(°)/s;关节速度环带宽从12 Hz提高到18 Hz。多次实验显示,辨识的数据具有较高的重复性,验证了辨识方法的有效性。设计的前馈摩擦补偿算法可以改善关节控制系统的动态性能。

模块化超冗余度空间机械臂的设计与实验

针对空间在轨服务任务需求设计了一种9自由度的模块化超冗余空间机械臂。该机械臂由9个相同的机械臂关节构成,其关节数量可根据任务要求进行调整。模块化关节采用一体化设计,关节内部合理地布置了机械传动部分与电气部分。基于改进的Bi-RRT算法和建立的机械臂的正逆运动学模型,机械臂进行了穿越复杂障碍环境的仿真和实验,实验结果表明该机械臂可以灵活地穿越障碍环境。基于阻抗控制算法,分别采用该机械臂进行了写字实验和恒力保持实验,实验结果表明机械臂具有良好的力控制能力。实验验证了该机械臂具备在复杂空间环境中执行在轨服务的能力。