改进粒子群算法的单杆柔性臂振动抑制方法研究

对于传统的线性二次调节器(LQR)控制的柔性机械臂,加权矩阵通常根据先验知识进行选取,粒子群算法可以通过迭代运算自主寻找最优解,传统粒子群算法的收敛速度比较慢,因此本文提出了一种改进粒子群算法优化加权矩阵的方法。使用Lagrange方程建立单杆柔性机械臂的动力学方程,并依据LQR推导出其控制模型。在模型求解中基于传统粒子群算法,引入交叉操作以及非线性动态惯性权重来提高全局和局部搜索能力。最后,通过仿真结果对比分析表明,改进粒子群算法的收敛速度更快,且抑振效果优于传统的粒子群算法,为其更高精度的应用提供辅助与支撑。

柔性臂消化内镜手术机器人在食管内镜黏膜下剥离术中的应用效果

目的比较柔性臂消化内镜手术机器人(FASTER)辅助食管内镜黏膜下剥离术(ESD)和传统食管ESD的临床效果,以探索更安全、高效的ESD手术方法。方法分别采用FASTER辅助ESD和传统ESD方法在离体猪食管模型中进行手术操作。对比分析两组手术总时间、ESD时间、直视剥离率、整体切除率和并发症发生率的差异。结果FASTER辅助ESD组的手术总时间[(19.2±2.9)和(28.9±8.2)min]和ESD时间[(13.0±2.9)和(21.6±8.3)min]明显短于传统ESD组,差异均有统计学意义(P<0.01);直视剥离率明显高于传统ESD组(96.2%和65.4%),差异有统计学意义(P=0.014);肌层损伤率明显低于传统ESD组(19.2%和69.2%),差异有统计学意义(P<0.01)。两组完整切除率和穿孔率比较,差异均无统计学意义(P>0.05)。这些优势在食管非重力位病变中更加明显。结论FASTER辅助下的食管ESD较传统ESD更加安全和高效。

颗粒阻塞变刚度可折叠柔性臂设计

针对折纸结构存在的刚度恒定不变及刚度不足难题,基于折纸结构和颗粒阻塞原理,笔者提出一种质量小、惯量低、刚度调节范围宽、空间折展比大、制作成本低的变刚度可折叠柔性操作臂。首先,设计了由多个折叠柔性单元串联而成的折叠柔性臂的三维结构方案;提出基于颗粒阻塞原理的折叠柔性臂的刚度调节方法,完成了柔性臂变刚度系统方案设计;提出电机驱动、绳索传动的折叠柔性臂驱动方案,以实现柔性臂的位姿变换;最后,完成变刚度折叠柔性臂的样机制作和弯曲变形实验、刚度测试实验测试。样机实验测试结果表明:所提出颗粒阻塞变刚度可折叠柔性臂的弯曲实验结果与运动学模型、刚度模型的理论计算结果较为一致,验证了该变刚度柔性臂的设计方案的正确性。

超冗余柔性臂在狭小空间内改进RRT算法轨迹规划

为清理变电站联排变压器狭小空间内的异物,设计了一种超冗余多关节机械臂;根据机械臂的运动学特性在机器人工具箱建立了运动学模型,利用正运动学分析了万向节角度和驱动绳长,并利用蒙特卡洛法建立了机器人的工作空间;为缩短轨迹路线、减少随机树点数目,提出了基于改进后的RRT算法的轨迹规划方法,利用贪心算法进行轨迹优化,仿真结果显示路径长度减少20%且规划时间提高60%;利用多阶贝塞尔曲线进行轨迹平滑,降低轨迹路线曲率;改进后的RRT算法可以有效避障,且轨迹更为精确、曲率较小、处理速度更快,可以快速有效地完成异物清理工作。

基于线结构光视觉的负载柔性臂振动位移测量

针对柔性臂末端存在负载情况下的振动测量研究,设计一种基于线结构光视觉的柔性臂振动位移测量系统。首先,选取负载柔性臂作为测量对象,搭建线结构光视觉测振平台,通过CCD相机采集机械臂末端由激光发射器发射的光条图像;其次,经过提取光条中心特征点,得到准确的光条特征点信息;最后,进行了振动位移测量实验。实验结果表明:基于线结构光视觉的负载柔性臂振动位移测量方法能够在非接触情况下进行实时、准确的振动位移测量,与压电测量法对比分析,实验结果平均差异率仅为1.2%,从而验证了线结构光测振系统方法的可行性和有效性。

适应于水下抓取作业柔性臂的设计与试验研究

传统关节式水下作业机械臂存在作业灵活性受限、控制复杂等不足,为此,文中提出并研发了一种适应于水下作业、柔索驱动的柔性机械臂。通过采用对角线耦合轮系驱动,实现了一个电机控制两根驱动钢丝,并减少实际所需电机的数量;采用几何分析法建立了柔性臂驱动绳长、关节弯曲角度与末端位姿的运动学关系,并建立柔性臂运动学模型;采用MATLAB软件进行手臂运动仿真,得到柔性臂的仿真姿态与工作空间;通过ADAMS软件对柔性臂进行运动仿真,验证了算法的可行性,确定了手臂关节的最优尺寸。制造出实物样机,对其手臂动作灵活性、柔顺性进行测试,完成了气密性试验和水密性试验,并成功在水下环境对目标物进行抓取,验证了柔性臂机械系统结构的可靠性和可行性。该柔性臂不仅能满足水下环境抓取作业需求,还可以应用于各种受限空间、危险场景的抓取和检测作业。

基于动力学的张拉整体柔性臂数字孪生系统

连续型机器人因其具有柔顺大变形、灵巧运动等特点,已成为未来提升机器人安全性和交互性的发展趋势,而数字孪生是实现机器人-环境-人之间共融共存的重要技术保障.本文以张拉整体连续型柔性臂为研究对象,结合数字孪生和虚拟仿真等技术,让张拉整体柔性臂在虚拟空间和实际物理空间中得以深度融合.搭建数据通讯架构实现数据实时传输和驱动,以提升柔性臂与人的协同工作效率,并可在复杂的环境中通过碰撞检测反馈实现动态避障.进一步,开发了一款基于动力学的张拉整体柔性臂数字孪生系统,并通过虚实双向操控验证了所建系统的有效性,为机器人远程智能监测与控制提供了参考.

具有量化输入和边界扰动的柔性臂边界振动滑模控制

本文针对量化输入和有界扰动下柔性臂系统的振动抑制和边界滑模控制器设计问题开展研究.柔性臂的动态特性由偏微分方程表示的分布参数模型描述.对于具有未知有界干扰的柔性臂系统,其主要控制目标是减小干扰的影响,使柔性臂到达期望角度并同时抑制系统的振动.首先,利用边界输出信号构造滑模函数和滑模面.其次,结合所构造的滑模面,设计一种边界滑模控制器,并利用算子半群理论证明了闭环系统的适定性.所提出的边界滑模控制策略保证了系统状态能够在有限时间内到达滑模面,并且系统状态在滑模面上是指数收敛的.最后,通过物理实验验证了所提出控制策略的有效性.

双连杆柔性臂非奇异快速终端滑模控制

针对双连杆柔性机械臂轨迹跟踪过程中抖振大、精确度低等问题,设计了一种非奇异快速终端滑模控制算法。首先根据拉格朗日方程及能量守恒定律推导出双连杆柔性机械臂的动力学方程,进而设计了基于跟踪误差状态方程的非奇异快速终端滑模控制器,其中采用双曲正切函数代替符号函数来削弱抖振的影响,并利用李雅普诺夫理论证明了该闭环系统的稳定性。仿真结果表明,提出的控制策略具有跟踪精度高,抖振更小的优点。

基于虚拟样机的单臂柔性臂振动特性研究

为了可以更便捷、有效测试柔性臂的振动情况,利用虚拟样机平台对柔性臂的振动特性与受力状态进行了分析。首先,基于Solidwork软件进行机械臂刚性系统建模。其次,因要考虑柔性体部件对系统运动的影响,以准确地模拟整个系统的运动,并获得准确的动力学仿真结果,采用Ansys和Adams软件进行联合仿真分析,即采用Ansys软件对机械臂进行柔性建模得到包含柔性体所有参数的模态中性文件MNF文件,并将其导入Adams中进行柔性臂的替换,得到一个单臂柔性臂系统模型,通过添加约束以及驱动函数进行应变仿真测试。最后,分析了柔性臂应变值变化特点,并通过理论分析、仿真结果以及实验操作结果的对比,验证了该虚拟样机平台进行柔性系统振动仿真结果的有效性。

双重驱动双连杆柔性臂系统建模与抑振仿真

以宏微双重驱动的双连杆柔性臂机器人为背景,研究其建模与振动控制问题。通过忽略弹性振动对刚性运动的影响,用拉格朗日方程建立了对刚性运动模型,建立了由伺服电机和压电陶瓷共同作用下的振动方程,然后在刚性模型基础上叠加振动模型实现了对柔性臂的描述;这种模型的优点是系统总的模型简单且易于同时考虑多个振动模态。最后给出了压电陶瓷抑振过程的计算机仿真结果。

柔性臂漂浮基空间机器人建模与轨迹跟踪控制

利用拉格朗日法和假设模态方法建立了末端柔性的两臂漂浮基空间机器人的非线性动力学方程.通过坐标变换,推导出一种新的以可测关节角为变量的全局动态模型,并在此基础上运用基于模型的非线性解耦反馈控制方法得到关节相对转角与柔性臂的弹性变形部分解耦形式控制方程.最后,讨论了柔性臂漂浮基空间机器人的轨迹跟踪问题,并通过仿真实例计算,表明该模型转换及控制方法对于柔性臂漂浮基空间机器人末端轨迹跟踪控制的有效性.

柔性臂机器人控制算法综述

柔性臂具有质量轻、惯性小和能耗低等优点,是替代笨重刚性机械臂的理想选择。由于柔性臂在运动时要产生振动,因此对其控制算法的研究显得十分重要。本文以多连杆柔性臂为主,对柔性臂机械手关节控制的各种方法进行了系统地综述,内容涉及由经典PID算法到无模型智能控制的控制理论的各个分支;并介绍了如何在关节控制的同时减小振动的措施。

基于PSO自整定PID控制器的柔性臂振动控制

针对压电柔性机械臂运行过程中的弹性振动问题,提出了基于粒子群优化算法(particle swarm optimization,简称PSO)自整定比例积分微分(proportional integral differential,简称PID)控制器参数的柔性臂振动抑制方法。采用标准粒子群优化算法,以时间乘绝对误差积(integrated time and absolute error,简称ITAE)准则为适应度函数,整定PID控制器的3个控制参数Kp,Ki和Kd,并采用Matlab Simulink平台建立双连杆压电柔性机械臂振动控制仿真模型,研制基于虚拟仪器技术的柔性臂振动控制试验系统。仿真与试验结果表明,采用常规PID控制算法和基于PSO自整定的PID控制算法均能有效地抑制柔性机械臂的弹性振动,但后者的振动抑制效果、鲁棒性与稳定性优于前者。

一种蛇形柔性臂的系统及结构

提出了一种蛇形柔性臂的结构与控制 ,介绍了柔性臂的主传动弯曲机构及运动转换机构的结构及原理 ,并对柔性臂控制系统进行了描述 .该柔性臂具有弯曲半径小、只用一台电机提供动力。

双连杆柔性臂自适应模糊滑模控制

为使控制系统在负载和杆长变化时仍能快速、准确地跟踪期望轨迹,基于奇异摄动模型将双连杆柔性臂系统分解为慢变、快变2个子系统,提出了一种慢变子系统采用自适应模糊滑模控制、快变子系统采用最优控制的混合控制方法。其中自适应算法在线估计未知参数,模糊控制用来抑制由滑模控制引起的振动。仿真结果表明,该方法不仅能实现柔性臂轨迹的快速、准确跟踪,而且能有效地抑制弹性振动,并且对系统参数的变化具有较强的鲁棒性。该方法的特点是对系统中各个等效的摄动参数分别进行自适应估计和补偿,因而控制算法简单,易于工程实现。

压电陶瓷驱动器在机器人柔性臂应用中的研究

研究了片状压电陶瓷驱动器在柔性手臂中的应用 ,推导了基于压电陶瓷驱动器的柔性臂静力学方程 ,建立了描述驱动器迟滞特性的 Preisach模型 ,提出了一种基于 Preisach前馈环的 PID控制方法对柔性臂进行振动主动控制和轨迹控制。试验表明 ,此方法可以有效地克服片状压电陶瓷驱动器的迟滞特性 ,消除柔性臂运动产生的振动 。

压电柔性臂的ARMAX模型辨识降阶及最优极点移动控制

研究了压电柔性臂的系统模型辨识和振动主动抑制问题。基于自回归滑动平均模型(ARMAX,Auto-Regressive Moving Average Exogenous)确立了系统辨识模型,且其辨识精度高达97.9%,并采用平衡降阶法对高阶的辨识模型进行降阶,得到低阶模型,通过多频激励实验证实了降阶模型与实际结构具有较高的吻合度。针对柔性臂的振动控制,提出了一种基于线性二次型(Linear Quadratic,LQ)最优极点移动控制法,从求逆的角度,通过移动系统极点来确定LQ的最优状态加权矩阵Q,该方法简单有效地解决了状态加权矩阵Q和输入加权矩阵R的选择问题,具有明显的物理工程意义。试验结果证实了ARMAX模型对于压电柔性臂系统模型辨识的适用性及平衡降阶方法对模型降阶的可行性,并验证了线性二次型最优极点移动策略对柔性臂振动控制的有效性。

机器人柔性臂的扭转振动主动控制研究

针对具有两连杆结构的空间机器人,设计了一种压电驱动器来抑制空间机器人柔性臂的扭转振动.采用拉格朗日方程和假设模态法对此机器人系统进行了理论建模,并建立了考虑随机干扰的状态空间表达式,基于随机最优控制理论设计了线性二次型高斯(LQG)状态反馈控制器.仿真结果表明,该主动控制策略能够有效衰减机器人柔性臂的扭转振动,从而提高了末端执行器的定位精度.

基于状态反馈控制的柔性臂系统振动抑制

以典型的挠性结构———柔性臂为研究对象,建立了柔性臂系统的分布参数模型,在柔性臂上粘贴压电陶瓷片作为传感器和致动器,将分布参数模型转化为集中参数模型,最后针对柔性臂系统设计了状态反馈控制器。实验研究结果表明,柔性臂的低阶振动得到了很好的抑制。