双连杆柔性关节机械臂分数阶线性自抗扰控制

针对双连杆柔性关节机械臂的柔性振动和受外部干扰的问题,提出了一种复合控制器的控制策略。通过拉格朗日方程建立了考虑关节柔性的刚柔耦合的机械臂动力学模型,使用奇异摄动法对机械臂系统解耦,使其分解成代表刚性部分的慢速子系统和代表柔性部分的快速子系统;对于慢速子系统,设计了带有前馈补偿的分数阶线性自抗扰控制器来抵抗内外扰动,实现了机械臂的高精度的轨迹跟踪,对于快速子系统,采用微分补偿项补偿,来抑制关节的柔性振动,从而达到系统稳定。实验和仿真结果表明,系统可以有效地实现双连杆柔性关节机械臂的轨迹跟踪,并且相对于整数阶线性自抗扰控制器有着更好的动态性能和鲁棒性。

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。

模糊整定PI参数的双柔性机械臂振动抑制

机械臂伺服驱动系统中柔性因素的存在易导致机械臂输出转速波动,甚至引发系统谐振.为抑制系统转速波动,使机械臂传动系统性能稳定,使用模糊理论整定PI控制器参数的控制策略.根据假设模态法和拉格朗日动力学方程建立了考虑LuGre摩擦模型的双柔性机械臂传动系统动力学方程,并分析了动力学方程中耦合非线性项对系统传动特性的影响.使用极点配置策略确定PI控制器参数的取值范围,后根据模糊规则实时调整控制器参数,以减小伺服系统输出转速的波动,进而抑制系统谐振.最后,借助数值仿真分析和机械臂控制实验,与传统PI控制策略对比,发现本文所述控制策略可使电机端转角跟踪误差绝对值的平均值降低43.066%,柔性负载转角误差的标准差降低46.506%,更加验证了所提模糊规则整定PI控制器参数抑振方法的有效性.

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。

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。

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。

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.

机械臂气动关节柔性抓取操控

针对机械臂不便于从物件上方直接进行抓取的情况,提出一种机械臂气动关节柔性抓取操控技术。分析机械臂常规抓取方式,剖析机械臂与物件接触间的几何约束关系,开展物件一边被抬起的受力情况。在此基础上,分析气动关节曲率和内压之间的线性关系,构建控制关节内压的机械臂柔性抓取操控技术。通过实物测试验证,采集物件曲率变化所对应手指内压变化情况,获取不同曲率下抓握平衡所需摩擦系数变化情况,通过手指和地面“相互对抗”,使纸条曲率变大且重心右移,从而成功实现了机械臂柔性抓取柔软物件,达到设计目标要求。

柔性机械臂系统双时标模型的H∞鲁棒控制

为了减小柔性机械臂转动时的振动和调节时间,实现柔性机械臂的精确控制,设计了自适应滑模-H∞鲁棒组合控制器。使用奇异摄动法建立了柔性机械臂系统的双时标模型。对于慢时变子系统,设计了幂次随系统状态自适应调整的趋近律,得到了基于自适应滑模变结构的慢时变子系统控制方法;对于快时变子系统,考虑到模型不确定问题,设计了γ次优H∞鲁棒控制器;将自适应滑模控制器与H∞鲁棒控制器进行组合,得到针对双时标模型的组合控制器。经仿真验证,对于刚性机械臂的阶跃输入,自适应滑模控制器的调节时间和超调量小于传统幂次趋近滑模控制器;对于模型不确定的柔性机械臂系统,组合控制器的振动幅度小、调节时间短、鲁棒性强,验证了H∞鲁棒控制器在柔性机械臂控制中的优越性。

考虑关节间隙的柔性机械臂动力学模型及特性分析

为探究关节间隙对柔性机械臂动力学特性的影响,以柔性机械臂为研究对象建立了考虑关节间隙和臂杆柔性的耦合动力学模型并进行动态特性分析。首先,采用接触力碰撞模型和摩擦力改进计算模型,对关节间隙进行表征;其次,采用假设模态法,构建考虑平面转动关节间隙的柔性机械臂动力学分析模型,并基于拉格朗日法推导了其耦合动力学方程;最后,分析了间隙值和弹性模量参数对柔性机械臂系统动力学特性的影响。仿真实验结果表明:接触碰撞力随着关节间隙值的增大而增大,同时导致碰撞频率降低,使得机械臂末端平动加速度增大,运动波动频率降低;当间隙值为0.1 mm时,接触碰撞力提高为无间隙下的17.76倍;柔性臂杆可以减缓关节内部碰撞,降低碰撞力幅值达80%以上,但弹性模量减小会加剧机械臂末端加速度幅值。该分析结果可为机器人系统可靠性和稳定性的研究提供参考。

基于指令滤波与观测器的柔性机械臂跟踪控制

针对复杂工况下单连杆柔性机械臂(single-link flexible manipulator, SLFM)系统的轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于指令滤波与观测器相结合的自适应神经网络控制算法。该算法考虑了SLFM系统的未知外部干扰和未建模动态影响。首先,利用单连杆柔性机械臂机理参数间的物理关系构建了其分数阶动力学模型,通过引入全局坐标变换将其转化为严格反馈控制系统;其次,针对SLFM系统状态不完全可测问题,构建了基于神经网络的分数阶状态观测器,并证明了其有效性;然后,利用观测信息设计了SLFM系统的轨迹跟踪控制算法,同时为了克服高阶求导导致的控制误差,提出了基于指令滤波的反步控制机制。理论分析表明,提出的控制方法可以保证闭环系统信号的半全局一致性与有界性;最后,通过数值仿真验证了所提控制方法的可行性和有效性。

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。

考虑基座振动抑制的双空间机械臂协同阻抗控制

针对柔性基座双空间机械臂紧耦合协同过程中面临的对物体内/外力的柔顺响应、基座的振动抑制以及双臂避碰等问题,提出了一种反作用最优协同阻抗控制方法。首先建立了柔性基座双空间机械臂的紧耦合系统模型。然后,利用物体级阻抗控制器和末端执行器级阻抗控制器分别实现了双空间机械臂对物体所受外力和内力的柔顺响应。然后,利用基座能量衰减最优控制和人工势场法得到了双空间机械臂的最优零空间自运动向量,通过双冗余空间机械臂的零空间自运动同时实现了基座振动抑制和双臂间的避碰。最后,在动力学仿真软件中验证了协同阻抗控制方法在解决物体内/外力柔顺响应、基座振动抑制、双臂避碰问题上的有效性。

基于Taylor Series-LQR复合策略的双关节机械臂时滞补偿控制

为解决时滞导致的颤振问题,提出了一种基于Taylor Series-LQR(Linear Quadratic Regulator)复合策略的双关节机械臂时滞补偿控制方法。首先,利用两个一阶泰勒级数分别构建基于两机械臂当前理想控制力预测下一时滞时刻的理想控制力的预测方程;然后,利用这两个预测方程对描述双关节机械臂运动的状态方程进行扩展;最后,根据LQR控制策略设计时滞补偿预测控制器求取预测控制力。应用结果显示,随着时滞的变大,使用无补偿措施的LQR控制器的双关节机械臂的颤振逐渐增大,并最终走向运动发散,而使用Taylor Series-LQR时滞补偿预测控制器的双关节机械臂在较大时滞范围内均能稳定跟踪期望轨迹而不产生颤振,说明Taylor Series-LQR复合策略具有良好的双关节机械臂时滞补偿效果。

考虑关节柔性的双连杆机械臂振动控制及实验研究

为了研究含有柔性关节的双连杆柔性机械臂的振动控制问题,采用绝对坐标方法对臂杆和关节进行建模,得到了刚柔耦合的双连杆机械臂动力学模型;对比研究了PD和LQR控制方法对柔性机械臂主动控制效果,针对柔性机械臂的实际工程需求,提出了一种LQR-PD联合控制策略,设计了相应的控制器并进行了仿真控制研究,同时结合搭建的双连杆柔性机械臂地面模拟平台进行了模拟实验。研究结果表明,该控制策略不仅能实现关节轨迹的精确跟踪,而且能有效抑制臂杆末端的残余振动,具有重要的工程价值和良好的应用前景。

基于反演法的矿用机械臂关节位置控制方法

针对矿用机械臂关节内部的柔性元件可导致机械臂末端位置无法实现精准控制的问题,对机械臂柔性关节的位置控制方法进行研究,基于拉格朗日动力学模型构建方法,建立融入机械臂关节柔性特性的关节动力学模型,并且与反演法原理进行结合,创新性地提出基于反演法的矿用机械臂柔性关节位置控制方法(IM-PCM),使机械臂关节柔性造成的末端位置控制精确性不足问题得到改善。通过MATLAB软件中的SIMULINK平台对IM-PCM的控制效果进行仿真分析,结果表明IM-PCM能够使矿用机械臂末端位置得到精确控制。

柔性关节机械臂轨迹规划及振动抑制研究

针对工业机器人多自由度复杂机械臂系统,对其建立多刚体运动学模型,仿真验证末端运动轨迹的真确性。在此基础上,对机械臂系统的末端关节进行柔性化处理,添加随机柔性扰动,得到刚柔耦合机械臂较为真实的末端轨迹曲线。提出了基于混沌粒子群优化算法(CPSO)的振动抑制方案,通过CPSO算法对机械臂末端轨迹的插值参数进行优化,定义了柔性末端的振动变形最小的目标函数,并给出了具体的求解步骤。数值仿真结果表明,在满足系统约束条件的情况下,机械臂运行平稳,不存在角速度突变的情况,相比于基本粒子群优化算法,CPSO算法保证了粒子群体的随机性,提高了群体的多样性,且收敛速度较快,不会陷入局部最优,在CPSO优化下的柔性末端轨迹振动明显减小,从而说明CPSO算法能够有效优化轨迹规划参数,减小机械臂柔性末端的振动变形。

基于双插补轨迹控制的七关节机械臂避障

基于七关节机械臂的解析解,提出了一种新的机械臂轨迹控制算法,该算法基于双插补方法,其关键点在于利用机械臂腕部关节中心点的位置向量,通过推导这一向量在轨迹规划器TP中的插补运算方程,实现了机械臂运动轨迹的平滑规划.此外,该算法根据腕部中心点位置向量计算出第七关节的旋转角度,在每个插补周期内,算法计算得到的旋角值被添加到通过解析解计算出的逆解关节向量的第七关节角度值上,这实现了对机械臂关节轨迹的高精度控制.同时,通用的梯度投影法计算一组关节角度值作为解析解的备选解,实现了避免奇异点的影响的效果.这一方法的有效性在LinuxCNC实时控制平台和Matlab仿真平台上经过了充分实验验证,以机械臂的末端精度作为主要评估指标.研究结果表明,相较于传统的梯度投影法等算法,该算法在机械臂关节轨迹控制中具有显著的优势,特别是在提高末端精度和误差控制方面表现出明显优势.这一研究的成果为工业自动化领域提供了一种更可靠、高效的七关节机械臂轨迹控制方法,有望促进工业机械臂应用的进一步发展,为生产过程提供更高水平的精度和效率.

柔性臂杆、柔性关节空间机械臂T-S模糊轨迹跟踪及双柔振动并行综合控制

针对存在参数不确定和外界干扰的柔性臂杆、柔性关节空间机械臂追踪期望运动的问题,设计了基于T-S模糊模型的滑模鲁棒控制方案和双柔性振动并行控制方案。首先,设计了关节柔性补偿器以提高系统的等效关节刚度。其次,利用反馈线性化技术建立了系统追踪期望轨迹的误差动力学方程,通过对系统Lyapunov稳定性证明来选择滑模控制参数;简化并改进T-S模糊推理规则,提出了模糊滑模鲁棒控制方法,可解决滑模控制的抖振问题并具有计算量少、控制力矩小的优点。再次,提出了柔性臂杆振动模态的直接反馈控制方案,解决了双柔性并行综合控制的问题。最后,运用逐步仿真的方法,对比仿真结果,证实了所设计轨迹跟踪、双柔性并行综合控制方案的有效性和稳定性。

考虑关节非线性的串联双连杆机械臂工业机器人运动控制

当前,导致多轴工业机器人轨迹跟踪误差的主要非线性因素是各轴上的关节非线性和不同轴间的动力学耦合效应。对此,提出了一种考虑关节非线性的串联双连杆机械臂模型的工业机器人运动控制方法。构造了机械臂运动学和动力学模型,提出了一种参数化建模方法,将连杆的非线性刚度和摩擦力直接辨识为关节非线性,并将该方法应用于具有低频振动特性、对轨迹性能具有重要影响的典型多轴工业机器人的串联双连杆臂,再现串联双连杆机械臂的运动状态,通过数值模拟和实验对比,验证了该方法的有效性。采用含可变陷波滤波器的反馈闭环控制和动态前馈补偿2自由度控制两种控制方案,提高机械臂轨迹跟踪和残余振动抑制的性能。结合4种不同运动形式,开展实验研究,与常规PI轨迹跟踪控制方法进行对比分析。结果表明,采用具有可辨识双连杆动力学模型和带可变陷波滤波器反馈闭环回路的2自由度控制方案能够提高轨迹追踪和残余振动抑制性能。