重型液压机械臂的模型前馈补偿自抗扰控制

液压驱动的重型机械臂被广泛应用于工程机械和矿山机械,对其进行自动控制在行业内具有迫切的需求。然而,液压系统的强参数不确定性和难以建模的动态等因素的影响,给其自动控制带来了一定的挑战。文中以某锚杆钻车为例,研究了一类重型液压机械臂驱动液压缸的位置跟踪控制问题,提出了一种模型前馈补偿自抗扰控制器。为解决重载下变负荷、死区、参数不确定以及摩擦等非线性因素带来的控制难题,采取模型前馈与自抗扰反馈相结合的控制方法,将重型液压机械臂的机构动力学模型和比例阀控液压缸模型相结合,建立了系统的机理模型,然后基于系统的机理模型,构建了控制器的前馈补偿部分;设计了扩张状态观测器对系统的未建模因素进行实时观测,再加上基于状态误差的反馈调整构成了自抗扰控制器。最后在实际的重型液压机械臂上进行了实验研究,结果表明:基于模型前馈补偿的自抗扰控制器相比于PID控制器,具有更小的滞后和跟踪误差,整体跟踪精度比PID控制器提升了63.5%,说明所设计的控制器可以很好地克服液压系统的非线性因素的不利影响,比PID控制器具有更高的鲁棒性,因此所设计的控制方法更适用于此类重型液压机械臂的位置跟踪控制。

液压机械臂驱动关节的非线性摩擦力自适应补偿控制

液压机械臂在重载任务中至关重要,但在精细化作业中却普遍存在“力量够大、精细不足”的问题。无论采用全自主还是半自主的作业方式,精密运动控制都是实现精细作业的首要基础。液压机械臂多采用液压缸直动推动关节转动的非线性驱动关节构型,摩擦分别来自液压缸和转动轴,但现研究大多忽略直动摩擦而仅考虑转动摩擦,因而运动控制中的摩擦补偿不到位。建立了面向模型补偿控制的液压机械臂非线性驱动关节动力学模型,全面考虑液压缸和转动轴的摩擦特性,进而提出摩擦补偿控制方法。结合基于最小二乘的在线参数自适应律,设计了直接/间接自适应鲁棒控制器。最后开展多组仿真对比,验证所提控制方法对液压机械臂驱动关节控制精度的提升效果。

基于自适应阻抗控制的大负载液压机械臂柔顺控制

针对大负载液压机械臂的柔顺作业问题,提出了一种自适应阻抗控制算法进行机械臂柔顺控制。算法根据六维力传感器测量的接触力信息和机械臂末端位置信息,对环境刚度和环境位置实时估计。根据环境刚度和环境位置的估计值,对机械臂的参考轨迹进行修正,实现自适应阻抗控制,以达到更佳的力控效果。开展了液压机械臂管道搬运实验,进行自适应控制算法性能验证。结果表明,相较于传统的阻抗控制算法,机械臂采用自适应阻抗控制算法能够获得更好的力控性和柔顺性。

基于ADAMS的重载液压机械臂动力学建模与仿真

针对七自由度重载液压机械臂,建立精确、高效的重载液压机械臂系统逆动力学模型。利用牛顿-欧拉递推法、Spong柔性关节模型和Stribeck摩擦模型建立机械臂动力学模型;利用Creo完成机械臂三维模型搭建并导入ADAMS分析计算。与试验结果对比,确定系数均大于0.6,与无摩擦纯刚体模型计算结果相比有明显提升,验证了建模方法的准确性。

复杂多向耦合液压机械臂电气化优化设计

液压机械臂是一种高精度化控制的综合机械设备,在越来越复杂的工业化作业工况下,需要液压机械臂具备完善的多样化自动化功能,针对液压机械臂控制系统的电气化缺陷,在液压机械臂运动学基础上,进一步构建其控制系统的电气化拓扑结构,对电液耦合协调驱动、电气系统故障诊断以及运动控制进行优化设计,最后利用DOE实验设计方法进行验证,通过实验结果可以说明采用的电气化优化设计方法能够满足液压机械臂的电气化目标。

液压机械臂复合连杆机构优化设计

为实现移动作业液压机械臂的可折叠存放和较大工作空间的作业需求,针对液压机械臂俯仰关节设计了由直线油缸驱动的复合连杆机构,并通过多目标优化设计减小了直线油缸的最大驱动力,同时保证了机构的紧凑性;基于螺旋理论构建了六自由度液压机械臂的正向运动学模型,并推导出解析形式的运动学逆解;在ADAMS软件中建立液压机械臂的虚拟样机模型,并在MATLAB软件中规划了液压机械臂末端的运动轨迹,通过运动学逆解得到关节空间中的轨迹曲线,导入ADAMS软件中作为机械臂各关节的运动驱动,进行机械臂的动力学仿真,得到了关节驱动油缸的输出力曲线,证明了优化后的复合连杆机构可以满足机械臂驱动需求。

基于PLC技术的重载混联式液压机械臂运动优化控制方法研究

重载混联式液压机械臂运行在复杂多变的工作环境下,高负荷运行需要稳定的运动控制。针对重载混联式液压机械臂可变工况下运动控制失稳现象,在液压机械臂系统结构和动力学分析的基础上,对液压机械臂的模块间通讯进行优化,构建了基于CANopen的分布式通讯结构;利用PLC作为运动优化控制技术,设计了双闭环的运动控制策略;在真实模拟的重载混联式液压机械臂运动控制试验环境中验证控制方法的可靠性。实验结果分析可以看出,该控制方法能够快速的提升重载混联式液压机械臂运动稳定性和动态响应能力。

面向混联液压机械臂的高精度运动控制方法

针对串并混联液压臂中因结构耦合和系统非线性导致其末端位置控制精度差的问题,基于虚拟分解建模方法和液压系统控制理论,提出了一种混联液压臂的高精度运动控制方法。该方法通过对系统进行精确建模,消除了传统液压臂控制方法由于忽略结构耦合和系统非线性而引入的误差,从而提高了运动控制精度。首先,将混联液压臂复杂的串并联驱动结构分为摆动缸驱动的开链结构、活塞缸驱动的闭链结构和活塞缸驱动的并联结构3类,并根据3类结构的特征将机械臂进一步虚拟分割成简单的子系统;然后,根据刚体动力学方程和流量连续方程分别建立了各子系统的动力学模型和液压执行器驱动模型,通过引入基于模型的前馈控制量和实时位置误差的反馈控制量设计了面向混联液压机械臂的高精度运动控制器。在七自由度混联液压机械臂试验平台上对该方法的有效性进行验证,结果表明:与传统PID控制器相比,采用该方法后液压臂末端在x和z方向的误差分别从59.63mm和19.6mm降低至11.17mm和6.48mm,仅为PID控制器的18.73%和33.06%,有效提高了混联液压机械臂的运动控制精度。

主从异构型液压机械臂遥操作的相似性映射方法

现有的重载液压机械臂自由度多,执行的任务繁复多样,利用外骨骼来对其进行遥操作能够提高机械臂控制的精准性和直观性,有着不可替代的优势。根据人上肢穿戴性需要进行设计会导致外骨骼与机械臂之间的结构异构,从而出现主从运动学不匹配的情况。基于四自由度外骨骼和七自由度冗余液压机械臂之间的主从控制,提出了一种适用于主从异构遥操作的笛卡尔-关节空间相似性映射方法,解决了二者自由度数量、自由度配置、可达工作空间等差异对主从控制一致性带来的问题。考虑控制需求和液压驱动特性,定义了主从异构遥操作下的相似性映射条件和关节运动约束条件,提出使用加权增广变系数雅克比矩阵的方法来满足操作者与从端机械臂之间额外映射关系,并给出了其中关节速度限制系数的选取条件。搭建了系统的机-液耦合仿真模型进行了验证。结果表明:提出的方法可以提高液压机械臂主从异构遥操作的灵活性和直观性,进而令液压机械臂更好地根据主端指令完成复杂的空间任务。

基于非接触自适应阻抗控制的液压机械臂 主/被动联合柔顺控制

本文引入非接触阻抗控制理论对间接自适应阻抗控制进行改进从而获得非接触自适应阻抗控制。借助MATLAB/simulink仿真平台,将非接触自适应阻抗控制作为液压机械臂的主动柔顺控制并与关节的被动柔顺控制相结合,从而实现对关节的主、被动联合柔顺控制。仿真结果表明,主、被动联合柔顺控制效果较理想,可使机械臂在与环境接触时兼具较好的运动性能与较高的安全性能。

基于全局能量优化的液压机械臂节能控制策略

液压机械臂由于采用液压系统作为驱动装置,在实现闭环运动控制过程中存在能效较低的缺点。针对此问题,提出一种基于全局能量优化的液压机械臂节能控制策略。分析液压机械臂各关节与驱动液压缸之间的运动转换,并推导了关节运动与液压缸两腔压力之间的非线性映射关系。在此基础上,构建液压机械臂能量消耗目标函数,与运动时间构成多目标优化问题,并利用改进的NSGA-Ⅱ多目标优化算法求解该问题的最优解。通过对比仿真结果可以发现:所提出的基于全局能量优化的节能控制策略与传统的定供油压力控制策略相比,节约了46.73%的能量,与传统基于时间-能量的优化节能策略相比节约了8.62%的能量,从而验证了所提策略的有效性。

关节液压机械臂的设计与分析

核电及核化工行业传统的吊车吊运作业不能满足废料桶堆码复杂、状态未知的情况,针对上述问题,设计了一种适合核化环境耐辐照及耐腐蚀的远距离操作关节液压机械臂,实现了对废料桶的辅助定位与扶正,满足废料桶的回取任务。为了验证设计的合理性,通过Matlab进行机械臂运动学的仿真验证,确定其工作空间,确保能满足要求;通过Adams建立机械臂与夹爪的虚拟样机模型,得到机械臂各个关节油缸的驱动力、驱动力矩,为其驱动原件选型提供参考,验证机械臂夹爪的夹持力。

基于响应面法的液压机械臂结构优化

为了减轻液压机械臂的自重,降低动力系统能耗,提高控制响应速度,文中采用基于响应面法的结构优化设计方法对某型机械臂进行轻量化设计研究。首先,选取机械臂板材厚度为待优化参数并使用拉丁超立方法进行试验设计抽样;其次,采用多项式拟合方法建立板材厚度和主臂最大米塞斯应力之间的响应面,代替有限元模型提高计算效率;最后,以主臂米塞斯应力为约束边界,以主臂轻量化为优化目标,采用蒙特卡洛法求解优化问题,得到最佳板材厚度。将优化后的参数输入到有限元模型中,验证优化结果的正确性。优化后,主臂总质量降低28%,达到了轻量化设计的目标。也为类似结构的优化设计,提供了良好工程案例。

轻质液压机械臂的机构优化探讨

本文针对轻质液压机械臂机构的主要组成与机构优化必要性展开分析,讨论了轻质液压机械臂的机构优化内容,内容涉及轻质液压机械臂的大臂、二臂、小臂,并以大臂优化实例为基础,建立数学应用模型来整理大臂优化过程中的相关内容,以提高轻质液压机械臂机构优化效果,维持轻质液压机械臂稳定的工作状态。

液压机械臂基于反演的自适应二阶滑模控制

利用驱动Jacobian矩阵构建机械臂系统与液压伺服系统的耦合关系,进而建立整个系统的动力学模型。考虑系统未建模动态和外界干扰,通过定义虚拟控制量并选取合适的Lyapunov函数,设计此系统的自适应二阶滑模控制律,使系统在有限时间内精确跟踪期望轨迹且保持强鲁棒性,同时有效削弱了传统滑模控制对系统硬件不利的抖振。仿真结果验证了本文方法的有效性。

液压机械臂的摆缸关节结构参数优化

以叶片式液压摆动油缸(以下简称摆缸)作为液压机械臂的驱动关节具有诸多优势。以提高机械臂的负重比为目标,对摆缸关节进行了轻量化设计。建立了优化设计数学模型,进行了优化算法及惩罚函数法分析。结合实例对摆缸的各个参数进行了优化,得到了所需转矩为63kN·m,叶片数为2,系统总效率为0.9时的摆缸参数优化结果。对结果进行了分析,得到了所需转矩与摆缸质量的关系曲线,摆缸质量与所需转矩、叶片长度的关系曲面,以及所需转矩与多个优化目标的关系曲线。建立了摆缸三维模型,采用有限元法对优化结果进行了验证,并证实了优化结果的合理性和正确性。

基于ADAMS与EASY5的液压机械臂联合仿真

液压机械臂是一个多输入多输出、强耦合的复杂机电液系统,其控制系统的性能和机械系统密不可分。采用联合仿真的方法可实现各仿真工具之间的集成和数据交换,形成机械臂的一体化数字模型。围绕某特殊环境下液压机械臂系统进行机电液耦合联合仿真,在建模软件Solidworks中建立机械臂结构模型,然后将模型导入动力学仿真软件ADAMS中建立液压机械臂的虚拟样机,随后在多学科动态系统仿真软件EASY5中建立液压机械臂的液压控制系统模型,并向ADAMS实时输入液压活塞杆的驱动力,而ADAMS则向EASY5实时输出液压缸的位移、速度。通过对机械臂各液压缸运动位移进行控制,实现了机械臂运动轨迹的控制仿真。仿真结果表明,机械臂模型与液压系统模型之间实现了无缝连接,验证了联合仿真方法的有效性和实用性,可为机械臂设计和控制提供参考。

基于关节力矩补偿的液压机械臂末端力软测量

为满足液压机械臂在复杂环境下高精度的作业要求,需使其具备一个精确的力测量系统。由于液压机械臂工作环境复杂且末端接触负载大,力传感器容易受到破坏,因此,针对液压机械臂无末端力传感器的末端力精确感知的难题,以3自由度液压重载机械臂为研究对象,提出了基于关节力矩补偿的液压机械臂末端力软测量方法。本研究通过有限傅里叶级数模型设计激励轨迹,并采用递推最小二乘法辨识机械臂动力学参数。以非线性摩擦力矩模型代替库伦粘性摩擦模型,提升机械臂动力学模型精度。建立神经网络关节力矩补偿模型,减小不确定因素对液压机械臂动力学模型精度的影响。搭建AMESim/Simulink联合仿真模型,设计液压机械臂末端运行三角形轨迹,验证了本研究提出的动力学模型精度较高。分别在液压机械臂末端的水平方向和竖直方向施加500 N的恒力负载和0~500 N的变力负载,在恒力负载下,水平方向和竖直方向的末端力软测量精度分别为4.84%、2.79%;变力负载下,水平方向和竖直方向的末端力软测量精度分别可达5.73%、4.81%。通过与未优化前的末端力软测量精度对比,验证了本研究提出的基于关节力矩补偿的液压机械臂末端力软测量模型可有效提高末端力软测量的精度。

液压机械臂控制系统的改进研究

针对矿井井筒施工中采矿液压伞钻钻孔位置和姿态调整过程自动化程度低的问题,改进了传统液压系统的控制方式,对动臂油缸和钻臂油缸进行了闭环控制。为减弱机械臂位姿变化时变负载对系统动态性能影响,设计信号校正控制模块,建立阀控液压缸数学模型,使用MATLAB中的SIMULINK仿真模块构建信号校正控制模块仿真模型。根据已有产品参数为模型添加仿真参数,经典PID控制算法和模糊自适应PID控制算法用于校正系统,当输入是步进力信号时系统响应。仿真结果对比表明:两者均可改善系统稳定性,达到预期目标;模糊自适应PID控制方法用于减少过渡期的过冲,校正信号的动态性能优于传统的PID控制方法。

基于UG的液压机械臂建模与故障诊断方法研究

液压机械臂是智能化工业制造中不可或缺的重要机械装置,针对在复杂多变的工业应用情景下液压机械臂故障诊断效率下降的问题,在UG交互式建模系统中构建了液压机械臂的实体造型,明确相关性能参数,与此同时,构建了液压机械臂的运动学模型,设计了液压机械臂运动状态观测器,利用分段阈值故障诊断算法对不同工作状态下进行故障检测,最后,在构建的液压机械臂实验平台中验证故障诊断方法的有效性,实验结果表明,采用UG建模辅助方法和分段阈值故障诊断方法能够提升液压机械臂的故障诊断效率和精确度。