Joint space compliance control for a hydraulic quadruped robot based on force feedback

In the realm of quadruped robot locomotion,compliance control is imperative to handle impacts when negotiating unstructured terrains.At the same time,kinematic tracking accuracy should be guaranteed during locomotion.To meet both demands,ajoint space compliance controller is designed,so that compliance can be achieved in stance phase while position tracking performance can be guaranteed in swing phase.Unlike operational space compliance control,the joint space compliance control method is easy to implement and does not depend on robot dynamics.As for each joint actuator,high performance force control is of great importance for compliance design.Therefore,a nonlinear PI controller based on feedback linearization is proposed for the hydraulic actuator force control.Besides,an outer position loop（compliance loop）is closed for each joint.Experiments are carried out to verify the force controller and compliance of the hydraulic actuator.The robot leg compliance is assessed by a virtual prototyping simulation.

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。

柔性关节空间机械臂建模、控制与仿真

关节是空间机械臂的核心部件,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。以某空间机械臂原理样机为研究对象,建立了考虑关节柔性和摩擦特性的动力学模型。分别利用扭转刚度测试平台和驱动组件性能测试仪,测得了关节的刚度系数和摩擦系数。并进行了考虑关节力矩饱和非线性的PD控制律设计,同时给出了稳定性证明。为消除动力学方程系数矩阵的时变性和刚度矩阵的奇异性,将动力学方程进行等价变换,从而利用精细积分方法进行数值仿真。仿真结果表明,抗饱和非线性PD控制律能够保证机械臂在负载变化范围内,满足位置控制的精度要求。

飞行模拟器运动平台关节空间自适应模糊控制

提出了一种飞行模拟器并联运动平台的轨迹跟踪算法,用来补偿由于分支执行器力矩饱和所引起的轨迹偏移和控制器性能的下降。该算法分为实时轨迹修正模块和关节空间控制器模块两部分。对于任务空间中的参考运动轨迹,如果任何分支执行器发生饱和现象,实时轨迹修正模块将利用运动平台的动力学模型对参考加速度进行修正,同时在非饱和状态下补偿饱和修正所带来的参考轨迹与修正轨迹之间的偏差。关节空间控制器模块以饱和修正轨迹作为输入,使用计算力矩控制器并结合了带饱和补偿的模糊干扰观测器和分支速度观测器,使得存在外部干扰和无分支速度测量情况下,控制器能保证稳定并保持良好的跟踪特性。仿真结果验证了算法的有效性。

漂浮基柔性空间机械臂基于奇异摄动法的模糊控制和柔性振动主动控制

讨论在载体位置不受控、姿态受控情况下,自由漂浮柔性空间机械臂载体姿态与关节轨迹跟踪的模糊控制及柔性振动主动控制问题。利用拉格朗日假设模态法并结合系统动量守恒关系,建立柔性空间机械臂系统的动力学方程。以此为基础,使用奇异摄动法和两种时间尺度的假设,将系统分解为轨迹跟踪控制和振动控制可分开设计的奇异摄动系统。对于快变子系统,设计PD控制器来对柔性杆件的振动进行主动抑制;同时,设计解耦的模糊逻辑控制器来保证慢变子系统载体姿态及关节轨迹的跟踪。由于在系统动力学方程的推导中消去柔性空间机械臂载体位置项,该模糊控制器还同时具有不需要测量反馈载体位置、移动速度、移动加速度项的优点。最后的数值仿真结果证实了所设计控制器的有效性。

基于RBF神经元网络的漂浮基空间机械臂关节运动自适应控制方法

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基空间机械臂关节运动的控制问题。由拉格朗日第二类方法及系统动量、动量矩守恒关系,建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程。以此为基础,借助于RBF神经网络技术、Ge-Lee(GL)矩阵及其乘积算子定义,对漂浮基空间机械臂进行了神经网络系统建模;针对空间机械臂系统所有惯性参数均未知的情况,设计了漂浮基空间机械臂关节运动的自适应神经网络控制方案。提出的控制方案不要求系统动力学方程具有通常的关于惯性参数的线性性质,且无需预知系统惯性参数的任何信息,也无需对神经网络进行离线训练、学习,此外,由于充分利用了空间机械臂的系统动力学特性,因此在控制过程中不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度、移动加速度以及姿态转角的角速度、角加速度。一个平面两杆漂浮基空间机械臂的系统数值仿真证实了该方案的有效性。

柔性关节空间机器人自适应模糊鲁棒H_∞控制

为了解决参数未知情况下柔性关节空间机器人关节运动与关节柔性振动主动抑制的问题。引入一种关节柔性补偿器,以提高关节的等效刚度;之后,采用奇异摄动理论将系统分解为快、慢变子系统。为慢变子系统设计了自适应模糊H∞控制,用模糊逻辑系统逼近系统不确定项的同时,采用H∞鲁棒控制项来克服模糊逼近遗留的误差对输出跟踪误差的影响。为快变子系统采用速度差值反馈控制律来抑制关节柔性引起的系统弹性振动。仿真表明,所设计的控制算法能够精确、稳定地控制空间机器人的关节运动的同时,主动抑制关节柔性振动;证实了控制算法的有效性。

机械臂途经N路径点的连续轨迹插补算法研究

为减小时工业机械臂振动和机构磨损,提高机械臂轨迹跟踪精度,在关节空间分别研究了通过起点和终点的三次、五次和七次多项式轨迹算法,以及途经2、4个中间点的4-3-4、3-5-3、3-3-3-3-3多项式轨迹插补算法。在此基础上,给出了贯穿N路径点的机械臂连续三次样条轨迹快速迭代算法。试验表明:机械臂途经期望的N-2(N≥4)中间点时,充分满足轨迹给定的约束条件,保证关节位五、速度轨迹连续可导和加速度轨迹的连续性,可进一步提高关节轨迹的平滑性,减少额外游移运动,提高高精度平稳控制。

一种离散的模块化机械臂分布式自抗扰控制策略

针对模块化机械臂动力学中存在的参数不确定性及外界干扰,在参考输入受噪声影响的情况下,提出了一种离散时间模块化机械臂关节空间分布式控制策略。利用跟踪微分器获得了高质量的角位移信号及其微分信号,利用扩张状态观测器来补偿机械臂不确定非线性动力学以及外部干扰,并采用非线性状态误差反馈形成控制作用,在关节空间设计强鲁棒性的自抗扰控制器实现机械臂关节空间的轨迹跟踪控制。由于对每个关节单独设计了控制器,因此控制器结构简单,易于实现,仿真结果进一步验证了所提方案优于传统控制方法。

基于神经网络的自由漂浮空间机器人关节空间鲁棒跟踪控制

针对存在不确定性以及干扰的自由漂浮空间机器人关节空间轨迹跟踪问题,提出了一种基于鲁棒控制思想的神经网络鲁棒控制方法.对于控制器中由系统惯性参数不确定性引起的非线性不确定项,利用径向基函数(RBF)神经网络进行逼近,并且利用鲁棒控制器使系统镇定并保证从干扰到跟踪误差的增益小于或等于给定的指标.最后,对本文提出的控制方案进行数值仿真.仿真结果表明跟踪轨迹误差能以较快的速度收敛到零,从而验证了所提出方法的有效性.

双臂空间机器人的自适应鲁棒性联合控制

讨论了自由漂浮双臂空间机器人系统关节轨迹跟踪的控制问题。由于载体位置与姿态均不受控制,空间机器人系统控制方程失去了关于惯性参数的线性关系,给控制系统设计带来极大的困难。借助于增广变量法――即恰当地扩展系统的控制输入与输出,成功地克服了上述难点。以此为基础,针对机械臂惯性参数不确定与末端抓手持有载荷参数未知的情况下,设计了自由漂浮双臂空间机器人系统关节轨迹跟踪的自适应鲁棒性联合控制方案。系统数值仿真,证实了上述控制方案的有效性。

大型挠性空间机械臂动力学与减速比对振动抑制影响

大型空间机械臂在操作过程中,一个突出的问题是超低频挠性,不仅存在机械臂的弯曲振动,而且还存在关节的扭转变形振动,关节控制中,一个重要问题是在实现关节位置控制的同时如何稳定和衰减机械臂及其关节的低频挠性振动。与关节驱动结构相关的减速比参数如何影响振动抑制的效果是空间机械臂关节设计中需要分析的问题,这关系到如何合理选择减速比参数。运用集中参数法对空间机械臂的关节驱动及其挠性组合动力学进行建模,研究了同时抑制关节振动和机械臂振动的一种稳定性策略,通过数值仿真分析了减速比参数对振动抑制的影响,提出了选择减速比参数的方法。这对未来空间站工程的大型挠性空间机械臂设计、动力学与控制研究中具有可应用的参考价值。

空间机械臂关节精细动力学模型的建立及关节力矩控制

针对空间机械臂辅助对接任务中的复杂关节力矩控制问题,建立了含间隙、非线性刚度及啮合阻尼的多级行星齿轮传动复杂关节精细动力学模型,该模型不仅考虑了齿轮啮合刚度,而且考虑了齿轮轴的扭转刚度。提出了一种基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法,并以此建立关节力矩控制系统,利用Runge-Kutta算法对关节精细动力学模型进行了数值计算。计算结果表明,此关节力矩控制方法约有1.7%的稳态误差,能满足关节力矩控制的需要;基于关节动态扭转变形的关节力矩测量方法有效地解决了提高关节力矩测量精度与保持传感器刚度之间的矛盾。

空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学分析

为验证空间站柔性机械臂系统在有初始位置、姿态误差的情况下能否成功完成辅助舱段对接任务,文章建立了空间站柔性机械臂辅助舱段对接动力学模型,模型考虑了对接机构的接触碰撞,依据关节精细动力学模型、力矩控制方法和阻抗控制程序进行了空间柔性机械臂辅助舱段对接过程仿真。仿真结果表明,当关节输出端位置测量精度为17位时,依靠阻抗控制的方法,空间柔性机械臂在主动舱存在最大位置误差150mm,最大姿态误差2.5°的情况下仍能完成对接;对接成功后,空间柔性机械臂系统控制力迅速下降,仍然能较好地保持构型,不会影响对接舱段的安全。

螺栓球节点网架吊装施工在火车站改扩建工程中的应用

武昌火车站改扩建工程工期紧,对质量、环保要求高,且基础站台车流量大,同时有其他施工,传统网架安装方法将对基础站台原有正常秩序引起干扰。采用螺栓球节点网架吊装施工技术可以有效解决上述矛盾。通过对该技术的网架单元和施工工艺的介绍,阐述了现场施工的整个流程,以及网架吊装过程中的质量控制、安全措施和环保措施的要点。实践证明,螺栓球节点网架吊装施工具有较好的综合效益。

大型空间机械臂容错关节设计与控制

关节是空间机械臂的核心部件,是保证空间机械臂安全、平稳运行的关键。针对电机失效概率较高的特点,进行了预防单台电机失效的容错关节设计,并建立了该关节的细化动力学模型,模型中考虑了间隙、啮合误差等非线性因素。基于此模型,进行了抗力矩饱和的非线性PD控制律设计,并利用精细积分方法对闭环系统进行数值求解。仿真结果表明:该容错关节可以在单台电机掉电或堵转时,保证关节的稳定、正常运行,且电机和关节的输出力矩均保持在许用转矩的范围内。

品种选择、货架分配与库存控制的联合决策模型

以某零售超市销售的一类产品为研究对象,假定产品的需求会受到时间、陈列库存水平和促销3种因素影响,以品种选择、货架空间分配与库存控制策略为决策变量,将3种策略的联合决策模型构建为一个非线性整数规划模型,并给出了模型求解的启发式算法.最后,构建了一个算例,运算结果表明,通过该模型的应用比该零售超市原有策略下的周利润上升了115%,说明该模型有较好的可行性和实用性,同时运算结果也给出了一些有益的管理启示.

货架空间分配和库存控制联合优化策略研究

研究了需求率受展示空间影响的零售商品的货架空间分配和库存控制联合决策问题.针对各物品单独补货和多物品共同补货两种不同策略,分别建立了联合决策模型,分析了最优解的特性,并给出了共同补货模型的遍历搜索算法和两种近似求解算法.数值仿真研究表明:改进近似算法几乎达到了遍历搜索算法的效果,而近似算法在保证较好计算效果的基础上大大提高了计算效率;多物品共同补货与各物品单独补货策略相比,不仅改变了零售商的订购计划,也影响了其货架空间分配策略,并使零售商减少了库存,增加了利润;该模型也为零售商提供了比一些经验做法更优的货架空间分配策略.

基于RBF神经网络的空间机械臂关节空间轨迹跟踪补偿控制

在PD策略的计算力矩法基础上,讨论了系统参数不确定的空间机械臂系统的控制问题.针对空间机械臂载体的位置不受控制,姿态受控制的情况下,对系统动量守恒关系进行了分析,得到了空间机械臂的系统动力学方程.采用PD策略的计算力矩法,考虑协调参数的不确定性,得到了系统的闭环动态误差方程.在此基础上提出了一种基于RBF神经网络的补偿学习控制方法,设计了具有不确定性的自由漂浮空间机械臂关节空间的补偿控制方案.将基于神经网络的补偿学习控制与计算力矩法相结合,利用进化学习来消除系统参数不确定性而造成的轨迹跟踪不准确的问题,实现了对空间机械臂关节空间内的轨迹跟踪控制.数值仿真的结果验证了该方法的有效性.

基于套索传动的五指灵巧手设计与主从控制

为了使灵巧手更加轻质化、拟人化,设计了一种由舵机经套索驱动的19关节灵巧手。参照人手关节确定灵巧手的构型,通过套索传动实现了关节解耦与驱动后置,并分别对关节机构与驱动集成进行了设计。建立灵巧手多指运动学模型并对其工作空间进行了分析;基于弯曲传感器与主从映射算法实现了抓取的主从跟踪控制。搭建灵巧手样机并进行关节运动实验与抓取控制实验。实验结果表明,将套索传动应用于灵巧手具有可行性,基于主从控制可以实现灵巧手对多种物体的抓取。