基于DCS-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统研究

为了有效调控机械臂运动幅度,避免柔性机械臂实际运动轨迹与目标轨迹发生较大的偏差,设计一种基于分散控制系统(DCS)-惯性权重组合的柔性机械臂运动轨迹控制系统,它是一个集合了计算机、通信、显示和控制的计算机系统,该系统由过程控制和过程监控。通过DCS算法控制监测对象行为幅度并计算柔性机械臂惯性权重,利用DCS-惯性权重组合求解素数控制指标的具体数值,实现了对柔性机械臂运动轨迹控制系统的软件设计。实验结果表明,DCS-惯性权重组合算法作用下的机械臂末端坐标在横轴、纵轴、空间轴方向上的运动幅值均可以被控制在10个单位长度之内,并且在0.52 s内进入机械臂运动轨迹最佳控制状态,运动轨迹差值最大仅为0.01 rad,验证了该系统具备可行性和有效性。

空间柔性机械臂建模、控制以及轨迹规划研究综述

经过几十年的不懈努力,中国航空航天技术日益突进,逐渐走向世界前列。但由于空间环境情况的复杂多变以及柔性臂本身固有的物理属性,常会导致末端执行器发生振动或未按规定路径运动等一系列问题。在简述国内外空间柔性机械臂发展现状的基础上,分析了空间柔性机械臂建模、控制方法以及轨迹规划3个方面的研究现状,并详细调研了相关内容在不同工况下适用的设计方法及其优缺点,以及部分专家学者对该方法的具体应用情况。最后结合上述分析内容,提出了柔性空间机械臂的发展趋势与展望。

在线数据记录和扰动观测器相结合的柔性机械臂复合学习控制

本文针对多输入多输出的柔性机械臂动力学模型,提出了一种基于神经网络估计和扰动观测器的复合学习控制策略.首先,通过奇异摄动分析将系统解耦为快慢子系统.然后,针对慢变刚性子系统的动力学模型,基于在线数据记录模型构造新型预测误差,结合跟踪误差设计自适应控制律;针对快变柔性子系统采用滑模控制抑制弹性振动.在此基础上,构建了扰动观测器实时估计复合扰动信号,并纳入在线数据记录模型作为前馈补偿.最后,基于Lyapunov稳定性分析可证系统误差信号一致终值有界,仿真算例验证了所提策略的有效性和优越性.

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.

柔性机械臂干扰力观测与无模型振动控制

为了抑制柔性机械臂运动过程中的非线性振动,提出一种基于干扰力在线观测的无模型轨迹跟踪和振动抑制混合控制策略。采用拉格朗日方程和奇异摄动法对存在未知干扰的柔性机械臂进行动力学建模和解耦,将其分解为表征刚性运动的慢变子系统和表征柔性振动的快变子系统;考虑到建模的复杂性和模型参数的不确定性,采用PD控制方法实现轨迹跟踪,并提出无模型自适应控制算法以实现柔性臂杆的非线性振动控制。针对未知外界干扰可能引起的控制发散问题,提出了改进的干扰力状态观测器,用于干扰力矩的在线估计和实时补偿,有效提高无模型振动控制算法的收敛性能。仿真试验结果表明,所提算法在存在干扰力的情况下对柔性机械臂的振动抑制效果显著,且具有良好的动态性能和鲁棒性。

柔性机械爪力控的变步长自适应滤波算法

机械爪工作中,由于电源和机械震动会导致电流有波动,将测得的电流数据通过滤波,减少电流的波动,从而让力控的准确度更高。传统的自适应算法无法满足在快速收敛的同时,实现较高鲁棒性和较小稳态误差的要求。针对上述问题,文中提出一种新的自适应滤波算法。首先,建立基于双曲正切函数的变步长模型,实现更新步长因子的动态变值,其次,将滤波器权向量差及可变因子引入更新权值迭代算法中,以达到快速收敛和减少稳态误差的目的。通过实验证明,文中算法实现了快速收敛,并具有较小的稳态误差,提高了系统的鲁棒性。

考虑控制器饱和约束的单杆柔性机械臂鲁棒H∞保性能控制方法

针对单杆柔性机械臂建模误差,控制器饱和及外界扰动的不确定性因素,提出了单杆柔性机械臂的鲁棒H∞保性能控制方法。现有单杆柔性机械臂控制方法多是忽略了其质量对系统性能的干扰,未考虑控制器输入饱和对电机寿命的影响。因此,文章将柔性机械臂的质量作为建模不确定性,然后基于李亚普诺夫函数推导出不确定线性系统鲁棒H∞保性能控制器存在的充分必要条件,将控制问题转换为一个线性矩阵不等式的优化问题。最终使二次性能指标上界或H∞变化范围最小。仿真结果表明,所设计的控制器对于柔性机械臂的振动有很好的抑制效果。

采用干扰补偿模糊整定的双柔性机械臂抑振策略

双柔性机械臂由柔性关节和变长度的柔性负载组成,会同时受到柔性、摩擦和参数时变的影响,在运动过程中,它会出现振动的现象,导致末端执行器的跟踪精度降低。本文采用基于干扰观测器的模糊整定PI策略控制双柔性机械臂伺服系统的输出转速,通过控制柔性负载的转速波动间接抑制机械臂的振动。根据假设模态法和拉格朗日原理建立了考虑变形的双柔性机械臂伺服系统的动力学方程。根据鲁棒稳定性理论设计干扰观测器中的低通滤波器,使干扰观测器同时满足控制器参数时变和受控对象参数摄动的稳定性。通过数值仿真分析和双柔性机械臂伺服系统控制实验,验证了所提方法的有效性。实验结果表明,本文提出的控制策略可以更好地消除参数时变和柔性对于输出转速的影响,提高末端执行器的控制精度。

柔性机械臂的研究现状和发展趋势

柔性臂的研究涉及仿生学、材料力学、机械结构设计与制造、智能感知与控制和人工智能等领域,是一门交叉融合性较高的研究学科。和刚性机械臂相比,柔性臂由软材料或超弹性材料制作而成,具有制造方式简单、人机交互安全、高功率密度比和无限自由度等特点,在复杂地形探险、医疗手术操作以及对目标的无损伤捕获等方面具有很大的应用潜力。由于柔性臂存在大变形、高度非线性以及刚度较低等问题,所以如何实现对柔性臂的精准数学建模、结构创新制造、灵巧操作以及输出力的有效提升是目前需要重点解决的问题。本文从柔性臂的仿生学机理、工艺制作方法、驱动方式、建模方法以及变刚度方式等方面对柔性臂的研究现状进行综述,最后对柔性臂的关键研究技术进行归纳、对发展趋势进行了预测。

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。

采用模糊补偿滑模控制器的空间柔性机械臂振动抑制方法

空间柔性机械臂可以安装于空间站协助宇航员开展在轨维修、航天器交会对接和太空垃圾捕获等任务。空间柔性机械臂因其细长的结构在运动过程中会出现振动现象,进而影响操作精度和飞行安全。为了减弱空间柔性机械臂的振动,采用模糊补偿滑模控制策略对空间柔性机械臂的旋转运动进行控制。通过提高空间柔性机械臂的转动控制精度间接地减弱振动。首先根据假设模态法描述空间柔性机械臂的变形,使用拉格朗日原理建立了考虑了二维变形的模态和转角耦合的动力学方程。然后,利用模糊规则的万能逼近特性辨识、补偿包括柔性非线性项和外界干扰的动力学模型的不确定成分。接下来,根据李雅普诺夫函数设计模糊补偿滑模控制策略的控制律和自适应律以保证空间柔性机械臂的闭环稳定性。最后,开展了空间柔性机械臂的仿真和物理样机控制试验。试验结果表明,模糊补偿滑模控制策略可以有效地提高空间柔性机械臂的转动控制精度,间接地减弱振动幅值。与传统的滑模控制策略相比,提出的控制策略可以使转角跟踪误差绝对值的平均值下降17.86%,使横向加速度的标准差下降31.91%。

柔性机械臂自适应神经网络反演控制

柔性机械臂系统是一类具有强耦合性的高阶非线性系统,动力学模型中通常包含一定的结构不确定性。针对结构不确定性所导致的轨迹跟踪控制复杂问题,提出一种基于RBF神经网络的自适应反演控制方法。首先分离出系统的已知信息部分和未知信息部分;而后通过反演法设计系统的轨迹跟踪控制器;再采用RBF神经网络对系统模型中的未知信息和虚拟控制量导数进行近似,设计基于RBF神经网络的自适应控制律,并通过Lyapunov理论证明了系统的稳定性。最后通过数值仿并与传统PD控制进行对比,结果表明该方法轨迹跟踪性能更优,跟踪精度提高了80%以上,证明了控制方法的有效性。

农业纸带栽种机械的柔性机械臂姿态自动检测方法研究

【目的】常规的柔性机械臂姿态自动检测方法,检测错误次数多,精度较低,需要设计一种全新的农业纸带栽种机械的柔性机械臂姿态自动检测方法。【方法】该方法使用姿态传感器作为数据采集装置,采集农业纸带栽种机械的柔性机械臂姿态数据。结合数据建立相应的姿态图像坐标系,根据柔性机械臂姿态在图像中的随动效应,计算出农业纸带栽种机械的柔性机械臂姿态自转角。根据编码器实测的角度,姿态角度传感器实测角度,求出柔性机械臂末端在竖直方向的高度,进而计算出姿态变化过程中柔性机械臂末端变形量。利用柔性机械臂姿态自转角和柔性机械臂末端变形量之间的相关性,求出待检柔性机械臂姿态的位置信息,进而实现了农业纸带栽种机械的柔性机械臂姿态自动检测。【结果】该方法的错误次数均值仅为5.25次,平均错误次数小于6,而对比方法达到了10次以上,相较于对比方法,该方法的柔性机械臂姿态检测错误次数降低了4次以上。【结论】设计的农业纸带栽种机械的柔性机械臂姿态自动检测方法有效降低了错误次数,检测方法精度高,检测效果较好,具备一定的应用价值。

具有执行器故障的柔性机械臂预定精度控制

探讨了具有动态不确定性的柔性机械臂故障补偿问题。由于系统的机械设备出现老化、磨损或维修过程出现操作不当,会导致执行器部分失效或卡死,但在执行器故障期间与故障相关的参数难以测量。若系统发生执行器故障,可能会对系统的稳定性造成影响,甚至会使系统出现不稳定的情况。使用自适应控制方法,处理存在未知模式的执行器故障以及参数故障的情况,保证系统快速补偿达到稳态状态。并且,通过使用模糊逻辑系统处理未知的非线性函数,并结合一类光滑函数作为控制器设计,保证系统跟踪误差收敛到指定的性能区间。仿真实验中,以单连杆柔性机械臂控制的故障补偿为例,证明了本文所提控制方案的有效性。

基于IMFAPC的二自由度柔性机械臂轨迹跟踪控制

针对二自由度柔性机械臂轨迹跟踪误差大、易产生抖振问题,提出了一种改进无模型自适应预测控制(Improve Model-Free Adaptive Predictive Control, IMFAPC)方法。首先在控制律中增加了对误差变化率的限制,并对误差变化率的差分也进行了限制。其次,设计时变参数的估计与预测机制,引入I/O数据信息预测未来时刻系统控制输入,从而有效解决二自由度柔性机械臂轨迹跟踪过程易振荡和发散问题,明显提高了对目标轨迹的跟踪精度且有效降低了柔性臂的弹性抖振。最后,经过仿真和实验验证了本文所提方法的有效性。

煤矸石分选柔性机械爪设计

为了解决煤矸石底面或周边不平整工况下无法精准抓取的难题,设计一种由缓冲装置和抓取装置组成的煤矸石分选柔性机械爪。缓冲装置通过高频低幅摆动,减弱并消除机械爪突然停止和遭受撞击的能量。抓取装置根据煤矸石大小,通过横向连杆结构控制机械爪的张开角度和抓力。机械爪下爪受力超过限值时将不再向下运动,并微调抓取角度,自适应不规则物体形状,减少了损伤率、带煤率和受阻率,提高了煤矸石的抓取率和夹持的稳定性。

多自由度柔性机械臂非线性连续时变反馈控制方法

针对当前多自由度柔性机械臂控制过程中,机械臂定位控制系数选择合理性较低,导致多自由度柔性机械臂控制时延较长且运动轨迹与预设轨迹存在较大差异的问题,提出多自由度柔性机械臂非线性连续时变反馈控制方法。将拉格朗日算子作为计算基础,以能量的方式构建多自由度柔性机械臂动力学模型。考虑到机械臂的负载状态,计算机械臂的重力矩,识别机械臂非线性连续时变反馈控制参数。设定非线性连续时变反馈控制规则,构建机械臂非线性控制器,实现机械臂定位控制。构建实验环节,实验结果表明:该方法可有效提升机械臂运动轨迹与预设轨迹的一致性,缩短机械臂定位控制时延,进一步提升机械臂应用效果。

一种基于柔性机械手和视觉识别的水果分拣机设计

随着农业现代化的发展,水果分拣机对于促进农业装备智能化发展具有重要意义。本文提出了一种基于柔性机械手和计算机视觉识别技术的水果分拣机设计方案。该方案设计了一种具有自适应性且对水果损伤小的柔性机械手,结合计算机视觉技术,可以高效准确地进行水果特征识别和分拣。本文介绍了分拣机的总体方案设计、各模块设计、视觉识别与处理流程,并通过实验验证了本方案的有效性。

柔性机械手驱动方式及结构方案设计

机械手控制灵巧性的特点在许多领域得到应用。在分析平动机械手和三爪机械手不足的基础上,采用流体容积控制方法并结合等压腔原理设计一种柔性可调的机械手。通过分析机械手驱动方式的优缺点,选取气体驱动形式,并给出了设计方案以及设计结果。该研究可为后续开展详细的设计以及动力学分析奠定一定的基础。

一种变刚度柔性机械手的设计及其性能测试

随着人机协作领域的快速发展,对机械手的性能要求越来越高。本研究针对机械手在抓取不同形状物体时对承载力和通用性的高要求,设计了一种基于鳍条效应原理的变刚度柔性机械手。该机械手融合了欠驱动技术和柔性材料的优点,展现出卓越的被动柔顺性,并通过变刚度结构设计,显著提升了其承载能力。研究中提出了一种新的变刚度手指设计方案,通过外骨骼集成的概念,实现了机械手的双模态操作能力:低刚度模式下轻柔抓取易损物品,高刚度模式下牢固握持重物。通过ABAQUS仿真和实验测试,验证了变刚度机构对机械手性能的提升效果,结果表明,开启变刚度机构后,机械手的承载能力最高提升了近9.89倍,同时保持了良好的柔顺性。本研究为柔性机械手技术的发展提供了新的解决方案,并为未来的应用提供了广阔的前景。With the rapid development of the field of human-robot collaboration, the performance requirements for robotic arms are increasingly high. This study addresses the high demands for carrying capacity and versatility when the robotic arm grasps objects of different shapes, and has designed a variable stiffness flexible robotic arm based on the fin ray effect principle. The robotic arm integrates the advantages of under actuated technology and flexible materials, demonstrating excellent passive compliance, and significantly enhances its carrying capacity through the design of a variable stiffness structure. A new variable stiffness finger design scheme was proposed in the study, which, by integrating the concept of an exoskeleton, realizes the dual-mode operation capability of the robotic arm: gently grasping fragile objects in low stiffness mode and firmly holding heavy objects in high stiffness mode. ABAQUS simulation and experimental testing were used to verify the performance enhancement effect of the variable stiffness mechanism, and the results showed that after the variable stiffness mechanism was activated, the maximum carrying capacity of the robotic arm was increased by nearly 9.89 times, while maintaining good compliance. This study provides a new solution for the development of flexible robotic arm technology and offers a broad prospect for future applications.