欠驱动机器人的最优轨道生成与实现

提出了一种基于学习的动力学前馈方法 ,解决了欠驱动系统由于系统不完全可控造成的反馈控制失效、运动轨道难以实现的问题 .在此基础上提出了学习 -优化交替式最优运动轨道生成方法 ,该方法将轨道优化与学习控制相结合 ,所生成轨道可以在欠驱动机器人上实际操作 .对一台实际的欠驱动机器人实现了最优轨道生成 ,并进行了动作实验 。

欠驱动机器人的切换姿态优化及全局稳定控制

讨论了欠驱动两杆机器人控制中存在的控制器切换问题并将其归纳为一类优化问题,提出了一种优化切换姿态并保证全局稳定的控制器设计方案。在系统全局稳定的条件下,将对欠驱动关节的控制能力作为优化目标。采用基于弱控制Lya-punov函数的方法设计摆起控制器;利用线性二次调节器(linear quadratic regulator,LQR)方法设计平衡控制器;使用控制器切换环节实现控制器的最优切换,其中控制器切换环节的设计借助平衡控制器吸引域的概念和遗传算法来实现。仿真实验中,应用该方法得到的控制器不仅能实现控制目标,还能使系统具有更强的抗干扰能力,并缩短18.8%的控制时间。

基于模糊控制的2R欠驱动机器人位置控制

基于模糊控制理论,研究2R欠驱动机器人关节的位置控制问题。在被动关节附加电磁制动器以控制关节间的耦合状态。根据电磁制动器的工作状态,将欠驱动机器人的位置控制分为两个阶段。第一阶段,制动器解锁,利用被动关节加速度与驱动关节转矩间的动力学耦合效应,间接控制被动关节沿预定轨迹运动到预定位置,同时总结模糊控制规则,设计用于控制被动关节运动的模糊控制器。第二阶段,制动器锁定,然后驱动关节运动到预定位置。设计并搭建了基于可编程多轴运动控制卡的试验控制系统。最后通过试验成功实现2R欠驱动机器人关节的位置控制。试验数据表明,模糊控制方法对于机器人被动关节具有较高的位置控制精度,鲁棒性良好,并且不依赖于机器人动力学模型,实时控制的计算量小,体现出智能控制的优越性。

欠驱动机器人研究综述

欠驱动机器人是指控制输入小于系统自由度的机器人,具有重量轻、成本低、能耗低等众多优点,目前已引起学者们的广泛关注。重点介绍了欠驱动机械臂在动力学建模、动力学特性、可控性分析、轨迹控制和系统的稳定性、鲁棒性研究等方面的发展现状,并对欠驱动机器人的研究方向进行了展望。

平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制

基于模糊控制理论,研究水平运动的4自由度欠驱动机器人位置和姿态控制问题。平面4自由度欠驱动机器人是具有冗余度和欠驱动双重特征的复杂二阶非完整系统,利用主动关节和被动关节加速度之间的耦合作用控制被动关节的运动,同时实现机械臂末端的轨迹跟踪和末杆的姿态控制。根据分层控制思想,提出双模态模糊PID复合控制算法,针对两个子任务分别设计控制器。通过Matlab和ADAMS的联合仿真验证算法的有效性,在基于可编程多轴运动控制卡的试验台上实现平面4自由度欠驱动机器人的位置和姿态控制试验。仿真和试验结果表明,所设计的模糊PID复合控制器对平面4自由度欠驱动机器人末杆的位置和姿态控制是可行、有效的。

欠驱动机器人最优运动轨迹生成与跟踪控制

以被动关节自由的欠驱动机器人为研究对象,对其最优运动规划与轨迹跟踪控制问题进行研究,控制目标为实现欠驱动机器人关节的任意位置控制。对欠驱动机器人系统的可控性条件进行分析,提出部分稳定规划器的思想,利用遗传算法对建立的适应度函数进行全局优化,得到部分稳定规划器的最优切换顺序。利用变结构控制方法进行反馈控制,实现了期望轨迹的精确跟踪。提出的方法一方面利用遗传算法的全局搜索能力,不必考虑机器人的严格线性化,能够快速、准确地实现路径寻优,且具有很好的稳定性;另一方面采用的变结构控制方法能够对系统干扰及参数变化具有良好的自适应性,因此本方法可以很容易推广到多自由度欠驱动机器人系统控制当中。通过末关节为被动关节的平面3自由度机器人进行仿真,仿真结果证明了方法的有效性。

2R平面欠驱动机器人轨迹控制研究

针对2R平面欠驱动机器人的轨迹控制问题,提出了基于模糊理论的智能控制方法。相比于目前的控制方法,模糊控制不依赖于机器人动力学模型,实时计算量小,鲁棒性良好。搭建了2R欠驱动机器人试验装置及其控制系统,完成了机器人末端多种轨迹的跟踪试验。试验结果显示该方法具有较高的控制精度与优良的鲁棒特性。

基于微分几何的欠驱动机器人动力学建模和控制

应用位形流形最小嵌入模型,对带有二阶非完整约束的欠驱动机器人动力学建模和控制进行研究。采用位形流形最小嵌入模型。简化了动力学方程。为欠驱动机器人动力学建模和控制的进一步研究奠定了基础。首先用一个齐次线性方程组表示被动关节的存在,给出基于嵌入模型的动力学方程解的结构。通过引入计算转矩控制法,给出另一个和主动关节及控制输入有关的齐次线性方程组,分析控制输入和这两个方程组解之间的关系,得到一个与控制输入及这两个方程组的解相关的欠定线性方程组,求解该欠定线性方程组,得到欠驱动机器人改进的动力学方程,进而可以运用全驱动机器人控制法来实现最小嵌入模型的控制,解决了由全驱动机器人控制法实现欠驱动机器人关节空间控制的问题。最后以平面二杆欠驱动机器人为例,验证了所得理论的可行性和有效性。

欠驱动机器人动力学运动规划的动态子空间法及控制

欠驱动机器人的关节空间运动是通过主、被动关节间的动力学耦合实现的,系统运动可能发生动力学耦合奇异,使欠驱动机器人的动态操作性能严重降低。针对一般具有任意多个被动关节的开链欠驱动机器人系统,基于动力学分析提出一种优化控制方法,其核心是在欠驱动机器人的全部耦合运动空间中,根据动力学耦合操作性度量,动态构造有限个覆盖全部耦合运动空间的具有最佳耦合度的子空间,使发生在这些子空间中的耦合运动具有余度驱动的特点,从而实现提高欠驱动机器人的动力学耦合度的优化控制。提出的方法通过平面四连杆机器人进行仿真,仿真结果证明了这种方法是可行的。

基于模糊控制的3R欠驱动机器人轨迹跟踪研究

对水平运动的3R欠驱动机器人轨迹跟踪控制问题进行了研究。设计了Mamdani型模糊控制器和一种复合型Fuzzy-PID控制器,利用主、被动关节的动力学耦合规律实现对末端点的轨迹跟踪控制。复合控制器设有两个模态,当误差大于所设阀值时采用Mamdani型模糊控制以获得较高的瞬态性能,当误差小于所设阀值时采用PID控制以获得较高的稳态性能。在ADAMS中建立欠驱动机器人的虚拟样机模型,在MATLAB中建立复合型模糊控制系统,通过二者的联合仿真进行验证。结果表明:和Mamdani型模糊控制相比,复合型Fuzzy-PID控制器消除了系统的稳态误差,提高了轨迹跟踪的控制精度。

基于T-S模型的欠驱动机器人非脆弱保性能H_∞控制

讨论了欠驱动机器人系统的非脆弱保性能H∞控制问题。利用欠驱动机器人关节间的动力学耦合控制被动关节到达理想位置,进而对其进行锁定,将欠驱动机器人系统转化为全驱动机器人系统。结合非脆弱保性能控制理论和H∞控制理论,提出了基于T-S模型的欠驱动机器人非脆弱保性能H∞控制策略,使其能够进行位置跟踪。两连杆机械臂的仿真验证了所提控制策略的有效性及实用性。

欠驱动机器人可控性研究方法综述

欠驱动机器人是指控制输入少于系统自由度的一类机器人。由于系统中非完整约束的出现,可积性和可控性成为对欠驱动机器人进行有效控制首要关心的问题。该文分析了欠驱动机器人约束的可积性,综述了此类机器人系统的线性可控性,非线性可控性等其他分析方法的研究进展,并提出了欠驱动机器人控制进一步的研究方向。

三自由度欠驱动机器人抓握目标杆运动控制

为解决Acrobot等一类欠驱动机器人依靠励振与其他控制方法相结合不能实现可靠抓握目标杆运动控制的问题.提出欠驱动机器人大阻尼非完整约束概念,研究稳定抓握目标杆的控制策略与方法.设计专用于此类机器人的手爪,该手爪可抓紧支撑杆构成大阻尼非完整约束状态;提出利用快速摇起阶段的励振控制与大阻尼状态下退转反馈控制相结合实现欠驱动机器人稳定抓握目标杆的控制策略,并进行控制器设计;利用ADAMS与MATLAB软件建立三自由度欠驱动机器人联合仿真控制系统模型.仿真结果表明,该方法可实现可靠的抓握目标杆运动控制,验证了该机器人各关节的驱动能力以及所提出控制策略的有效性.

基于MATLAB/Simulink的欠驱动机器人仿真实验

欠驱动两自由度机器人Pendubot具有较强的非线性和耦合性,通常用于非线性控制和机器人等的教学和科研。Pendubot系统的动力学方程非常抽象和复杂,为了提高课堂教学质量,根据动力学方程采用MATLAB/Simulink建立了Pendubot系统仿真和控制实验,采用线性二次型调节器(LQR)实现了在最高不稳定平衡位置的平衡控制。学生可以自行修改系统的参数,并进行动态仿真和观察结果,实现了理论和实践的结合,增加学生的学习热情,有助于培养学生的动手能力和创新意识。

基于力矩变换的PAA型欠驱动机器人鲁棒镇定控制

针对在第2关节和第3关节仅有两个驱动器的PAA(passive-active-active)型欠驱动三连杆机器人,提出一种基于力矩变换的鲁棒镇定控制方法.首先对第3关节的控制输入引入一种与第2关节控制输入和机器人状态相关的力矩变换,以消除第3关节控制输入对系统的影响,将机器人动力学方程化为更简单的形式,然后基于能量进行摇起控制设计.在平衡区,将机器人第1连杆和第2连杆的角速度看成一种不确定性,得到机器人在不稳定平衡点附近的不确定模型;然后基于线性矩阵不等式推导鲁棒镇定状态反馈控制律,达到较大范围的平衡控制.仿真结果表明,该控制方法具有稳定时间短和控制力矩小等优点.

一种基于遗传算法的欠驱动机器人避障运动规划新方法

对平面欠驱动机器人的避障运动规划问题进行了研究,提出了一种利用遗传算法解决此类系统避障问题的新方法。通过引入虚拟弹簧—阻尼系统,在障碍物存在的情况下对系统非完整约束方程的广义力进行修正,采用部分稳定规划器进行运动规划,建立了基于能量的适应度函数,并利用遗传算法对提出的适应度函数进行全局优化,得到了部分稳定规划器的最优切换顺序,进而实现了欠驱动机器人的无碰撞路径规划。最后以平面3R欠驱动机器人为例进行了仿真实验,验证了该方法的有效性。

欠驱动机器人控制策略综述

欠驱动机器人是指独立控制输入量少于系统自由度的一类机器人,具有重量轻、成本低、能耗低等众多优点,目前已引起学者们的广泛关注。介绍了欠驱动机器人控制器设计的六类策略,分析了各类策略的应用及效果。如何将鲁棒控制与其它控制策略相结合,开发出更实用、性能更优越的控制策略,有待于进一步研究。

水平运动的三自由度欠驱动机器人的位置控制

以水平运动的三自由度欠驱动机器人为研究对象,对其位置控制问题进行研究.基于分层控制思想提出一种模糊控制系统,将欠驱动机器人末端位置控制问题进行分解,末端位置由主动关节的旋转与被动关节的伸展或收缩组成.第1关节按照规划的曲线运动,第2关节和第3关节通过动力学耦合作用运动到期望位置.主动关节2的控制力矩或控制电压通过对模糊逻辑控制器的输出量进行加权求和得到.采用该控制原理,通过数值仿真和实验实现了3R欠驱动机器人在操作空间中末端点到点的位置控制.

平面三自由度欠驱动机器人轨迹跟踪控制

对平面3R欠驱动机器人的轨迹跟踪控制问题进行了研究,该机器人有两个驱动关节和一个自由关节。利用拉格朗日方程建立了该机器人的动力学模型。依据该动力学模型,分析了该类机器人的特点,并设计了一种模糊控制方法。控制系统根据模糊逻辑控制器输出量得到主动关节的控制力矩。利用主动关节和被动关节之间的动力学耦合作用,控制被动关节,以实现机器人末端的直线轨迹跟踪任务。采用该控制方法,对控制过程进行了数值仿真,结果表明该方法具有可行性。

一类二连杆欠驱动机器人系统的稳定控制

主要研究了一类具有弹簧耦合关节的二连杆欠驱动机器人从某一初始位置到不稳定平衡点位置的运动及稳定控制的问题。建立了其在重力作用环境下拉格朗日形式的动力学模型。在基于无源性理论的基础上,结合Lyapunov函数,设计了一种运动控制器,使机器人系统能够由初始位置运动至垂直竖立位置的邻域,并结合使用LQR控制器使之达到平衡稳定。计算机仿真结果验证了两个控制器的控制效果可行。