自由浮动空间双臂机器人的鲁棒协调控制

研究自由浮动空间双臂机器人在本体位置、姿态均不加控制时,抓取物体运动情况下的动力学协调控制。根据空间双臂机器人抓取系统的闭链约束关系,推导出广义雅可比矩阵,针对抓取系统动力学模型的不确定性,提出一种鲁棒协调控制方法,来控制被抓物体的运动,使被抓物体的运动轨迹跟踪期望的运动轨迹,并保证内力跟踪误差的有界性。通过对自由浮动空间平面双臂机器人进行鲁棒协调控制仿真实验,结果表明了该方法的有效性。

空间双臂机器人机械臂最优轨迹规划仿真

空间机器人工作过程中,因机械臂与基座之间的动力学耦合,造成平台姿态扰动及机械臂振动,使得空间机器人操作精度降低。针对空间双臂机器人在轨服务过程中平台姿态保持与机械臂震颤抑制问题,提出一种基于多目标混沌粒子群优化的机械臂轨迹规划方法。为获得机械臂运动对基座的反作用力矩,首先建立了双臂机器人动力学方程,并且利用正弦函数参数化机械臂的运动轨迹。定义最小化基座反作用力矩与机械臂震颤抑制参数为适应函数,并考虑了机械臂关节角、关节角速度、角加速度约束条件,采用多目标混沌粒子群算法求全局最优解,实现关节空间的机械臂路径规划。通过仿真对规划方法的正确性和有效性开展验证,结果表明,利用提出的轨迹规划方法减小了机械臂运动对平台姿态的扰动,降低了控制力矩峰值,规划出的机械臂轨迹平滑连续,可应用于多自由度空间机械臂。

自由浮动柔性空间双臂机器人的混合抑振控制

针对一种双臂4关节末端为柔性连杆的自由浮动空间机器人,将自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的柔性杆视为Euler-Bernoulli梁,采用假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,忽略高阶弹性振动模态,根据拉格朗日法,并结合系统动量守恒,推导了自由浮动空间柔性双臂机器人开链系统的动力学方程和振动方程;考虑弹性变形、建模误差及扰动项,以及动力学的非线性强耦合效应,在模态空间下,采用模糊滑模及最优控制的混合控制方法,讨论空间柔性双臂机器人操作臂在捕获运动时的轨迹跟踪及振动抑制问题。仿真实验表明,混合控制可以削弱滑模控制的抖振程度,使得滑模控制的输出更平稳,有效地抑制柔性连杆产生的弹性振动,保持操作臂末端轨迹跟踪的鲁棒性。

自由浮动空间双臂机器人抓持内力的优化控制

运用非线性规划方法,提出了一种本体位置、姿态均不受控的自由浮动空间双臂机器人的内力优化与控制策略。首先根据空间双臂机器人及负载的动力学方程,建立了抓持系统合成动力学方程,进而将机器人各手臂关节广义驱动力矩的范数作为目标函数,内力作为优化变量,采用了序列二次规划法来解决空间机器人的动态内力优化计算问题,并对双臂六自由度空间机器人进行了内力优化控制仿真实验,结果表明了该方法的有效性。

柔性关节空间双臂机器人奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制

为解决载体位姿无控柔性关节空间双臂机器人系统在外部干扰、未知载荷参数影响下关节运动控制问题,提出奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制方法。以柔性关节空间双臂欠驱动式机器人及关节电机动力学子方程为设计基础,借助柔性补偿奇异摄动技术建立系统奇异摄动修正模型;针对系统外部干扰确界未知、载荷参数未知工况,为柔性关节空间双臂机器人设计由快变状态反馈控制、增广鲁棒自适应PD慢变控制组合而成的复合控制规律。仿真结果证实,所提奇异摄动增广鲁棒自适应PD复合控制方法可有效消除系统关节柔性、未知外部干扰及载荷参数影响,确保空间双臂机器人能精确执行预期关节运动任务。

空间双臂机器人运动学及动力学分析与建模研究

针对空间双臂机器人运动学和动力学建模,对失重状态下空间机器人的运动学分析与建模进行了研究。给出了双臂机器人左右臂的DH坐标及参数,建立了正运动学的计算公式,基于臂形角的方法,给出了更高效的空间机器人冗余单臂的解析形式逆解求解方法。分析了空间双臂机器人全部工作状态,引入二元判定系数归纳得到了双臂独立运动、双臂协同操作、闭链本体漂浮、开链本体漂浮4种四种机器人工作状态,并基于拉格朗日方程得到了4种不同工作状态下的动力学模型。通过对空间双臂机器人运动学及动力学进行分析与建模,为空间双臂机器人的设计与研究提供理论基础。

自由漂浮空间双臂机器人动目标抓捕控制

针对空间双臂系统捕获移动目标任务,建立了自由漂浮空间双臂机器人系统动力学模型.针对开链追踪过程,利用自适应方法同时实现速度估计和目标追踪的收敛,可保证双臂同时捕获目标,并设计了基于耦合、漂浮模型的反馈控制律;针对闭链对接过程,根据运动约束协调规划双臂的运动,并利用反馈线性化法设计了一种自由浮动空间机器人双臂协调阻抗控制方法,使双臂并联系统的阻抗可以独立配置.仿真结果表明,相比纯追踪,该追踪方法捕获时间更短,轨迹更平直,闭链过程中有效降低了内力,保证了对接的平稳.

空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制

针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题,由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压,已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩,无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全.为此,本文考虑被抓捕目标惯性参数不确定性与双臂内力挤压对抓捕后阶段组合体稳定控制的影响,提出了一种保证接触安全的鲁棒稳定控制方法.首先,根据目标的有界不确定性构造鲁棒正不变集,同时考虑双臂与目标接触内力的影响,利用预测控制方法在该不变集内规划控制目标运动的虚拟接触力与力矩.然后,根据目标动力学模型以及空间双臂机器人的运动约束,规划空间双臂机器人的鲁棒安全期望运动轨迹.最后,利用障碍李雅普诺夫函数构造跟踪控制器,使空间双臂机器人有效地跟踪期望轨迹,从而使得翻滚目标运动受到等效于虚拟控制律的作用,在保证接触安全的同时实现鲁棒的稳定控制.通过空间双臂机器人稳定翻滚目标的仿真算例验证了所提方法的有效性.

双臂空间机器人闭链系统的协同柔顺控制策略研究

双臂空间机器人对目标的协同操作具有负载能力大、定位精度高的特点,同时存在着闭链运动和控制力约束条件.本文以双臂六自由度空间机器人为研究对象,针对同一目标的搬运操作任务,建立了闭链系统的动力学模型.基于机器人和目标的虚切断铰接结构,以操作臂为刚性运动,协作臂为柔性运动的操作模式,分别设计了关节跟踪控制律和柔顺阻尼控制律.基于实例进行了运动仿真,验证了双臂协同控制算法的有效性.

空间机器人在轨双臂辅助航天器对接力/位置嵌套双层滑模阻抗控制

为了实现空间机器人捕获航天器及辅助对接操作的柔顺化,对航天器对接装置的输出力与位姿的精确控制进行了研究,且在关节电机与机械臂之间添加了弹簧阻尼缓冲装置,以防止接触、碰撞时产生的巨大冲击力造成关节破坏。首先,结合Newton第三定律、捕获点的速度约束及闭链系统的几何约束,获得了捕获航天器后的混合体系统动力学方程,通过动量守恒关系计算了碰撞冲击效应与冲击力。接着,通过航天器对接装置相对载体坐标系的运动学关系,建立了对接操作过程中的阻抗模型。然后,设计了一种鲁棒自适应双层滑模控制策略,其与阻抗控制相结合,采用力加载随动控制系统实现对接装置的位姿与输出力的精确控制,以降低接触、碰撞时的冲击力。该控制策略具有双层滑模结构,其第一层保证混合体系统在有限时间内收敛,第二层用于解决控制的高增益问题。最后,通过Lyapunov定理证明了系统的稳定性;利用数值仿真验证了所提控制策略的有效性。仿真结果表明,在给定的速度下缓冲装置最大可将碰撞冲击力矩降低46.78%,输出力的控制精度优于0.5 N,位置、姿态的控制精度优于10^(-3)m,0.5°。

空间双臂机器人抓捕非合作目标后的协调稳定控制

由于非合作目标惯性参数的不确定性以及双臂操控目标的拉扯/挤压作用,空间双臂机器人稳定非合作目标的过程中机械臂末端与目标可能产生过大的接触力与力矩,从而可能对目标造成损伤。针对该问题,提出了一种协调稳定控制方法,通过协调双臂期望运动实现双臂末端与目标交互的柔顺,降低稳定过程中产生的接触力与力矩。首先,利用目标惯性参数的估值规划稳定运动轨迹;然后,利用柔顺等式建立调整稳定运动轨迹的内外双环,分别针对目标惯性参数不确定性的影响和双臂末端对目标的拉扯/挤压,对期望运动进行调整,得到实现机械臂末端与目标接触柔顺的安全稳定运动轨迹;最后,基于障碍李雅普诺夫函数设计控制性能可约束的跟踪控制器,对双臂的运动进行协调控制,实现机械臂末端与目标交互柔顺的安全稳定控制。仿真算例验证了本文协调稳定控制方法的有效性。

空间柔性双臂机器人系统建模、控制与仿真研究

空间柔性多臂机器人系统是高度非线性,强耦合的动力学系统,其动力学的研究是比较复杂和困难的问题.本文针对极为复杂的空间柔性双臂机器人系统,建立了其系统动力学模型,利用逆动力学控制算法对该动力学模型实现了轨迹跟踪控制,仿真结果表明该方法具有较好的控制效果,分析了在仿真过程中出现的有关数值算法的问题.

自由浮动柔性双臂空间机器人系统的动力学控制

基于假设模态法对柔性连杆的变形进行近似描述,采用拉格朗日方程分析柔性臂的动力学关系,忽略高阶弹性振动模态,根据柔性双臂和物体的动力学方程、末端约束关系以及系统的动量守恒原理,推导一种自由浮动柔性双臂空间机器人闭链系统的动力学模型。针对系统柔性状态的高频特征,采用奇异摄动法将该系统模型分离为慢变和快变两个子系统,对二者分别采用滑模变结构控制和非线性PD控制,保证刚性、柔性状态输出达到要求,由此得到的组合控制使得系统能较好地跟踪期望的轨迹,抑制弹性振动,并减小对本体运动的影响,内力、内力矩均能平稳跟踪期望值。最后进行数字仿真,验证上述方法的有效性。

空间机器人双臂捕获卫星力学分析及镇定控制

随着航天技术的发展,空间机器人要求具有对非合作卫星的在轨捕获能力.双臂空间机器人与单臂空间机器人相比在这方面显然更具有优势.然而由于太空环境的复杂性,使得空间机器人双臂捕获非合作卫星操作过程的动力学与控制问题表现出下述特点:非完整动力学约束,动量、动量矩与能量传递变化,捕获前后结构开、闭环变拓扑,与闭环接触几何、运动学约束多者共存.因此空间机器人双臂捕获卫星技术相关动力学与控制问题变得极其复杂.为此,讨论了双臂空间机器人捕获自旋卫星过程的动力学演化模拟,以及捕获操作后其不稳定闭链混合体系统的镇定控制问题.首先,利用拉格朗日第二类方程建立了捕获操作前双臂空间机器人的开环系统动力学模型,利用牛顿-欧拉法建立了目标卫星的系统动力学模型;在此基础上基于动量守恒定律、力的传递规律,经过积分与简化处理分析、求解了双臂空间机器人捕获目标卫星后受到的碰撞冲击效应,给出了合适的捕获操作策略.根据闭链系统的闭环约束几何及运动学关系获得了闭合链约束方程,推导了捕获操作后闭链混合体系统的动力学方程.最后基于该动力学方程针对捕获操作结束后失稳的闭链混合体系统,设计了镇定运动模糊H∞控制方案.提出的方案利用模糊逻辑环节克服参数不确定影响,由H∞鲁棒控制项消除逼近误差来保证系统控制精度;通过最小权值范数法分配各臂关节力矩,以保证两臂协同操作.李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的全局稳定性.最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性.

双臂空间机器人系统运动规划的双向逼近方法

基于双向逼近方法,讨论了载体位置与姿态均不受控制的双臂空间机器人系统的运动规划问题。该方法以系统动量和动量矩守恒关系为基础,建立了控制系统设计所需系统状态方程;并通过对系统状态方程应用双向逼近方法,获得了机械臂关节角的控制输入方程,从而达到对载体姿态及机械臂关节角的双重控制效果。该方法的优点是减少了载体姿态控制燃料的消耗,有效地延长了空间机器人系统的使用寿命。系统数值仿真证明了该方法的有效性。

柔性关节双臂空间机器人的滑模神经网络控制

研究参数不确定、外部扰动影响下柔性关节双臂空间机器人的滑模神经网络控制问题。采用线性扭转弹簧等效描述关节弹性,根据系统线、角动量守恒原理及拉格朗日法,推导柔性关节双臂空间机器人的动力学模型。利用奇异摄动法对柔性补偿后的系统进行分解,得到两个可独立控制的子系统。为实现系统末端操作器在两种不确定性因素干扰下的轨迹精确追踪及关节振动抑制,提出一种刚性运动滑模神经网络控制、柔性运动反馈控制相结合的混合控制方案。仿真结果显示,所提方案具有较强的抗扰动及抗参数不确定能力,可使系统完成所期望的圆周运动并抑制关节的弹性振动。

闭链双臂空间机器人抓持载荷基于径向基函数神经网络的补偿控制

讨论具有闭合运动链的漂浮基双臂空间机器人抓持系统目标载荷的位置、力混合协调控制问题。采用多刚体动力学建模方法并结合漂浮基闭链抓持系统固有的运动学及动力学特性,获得抓持系统合成动力学方程。闭链双臂空间机器人系统参数极其复杂经常出现变动,针对抓持系统参数不确定的情况,根据神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计该抓持系统基于径向基函数神经网络补偿的力/位置协调控制方案,从而达到对抓持负载位置与所受内力的双重控制效果。系统数值仿真证明了上述控制方案的准确性,仿真结果也证实了所提出的控制方案可有效地消除参数不确定对控制系统的影响。

闭环双臂空间机器人的动力学建模与仿真

为了对闭环双臂空间机器人本体位姿进行实时定位跟踪,推导了基于旋量的递推牛顿-欧拉运动学方程,结合自由漂浮空间机器人的线动量和角动量守恒理论,建立了基于空间算子代数理论的自由漂浮双臂空间机器人闭环系统的动力学方程.使用序贯滤波和光滑化最优估计理论方法对广义质量矩阵进行了分解与求逆,实现了O(n)次高效率计算.在Mathematica 6.0中编制了程序对2个平面3自由度机械臂闭环系统进行仿真验证.仿真结果与ADAMS结果进行的对比表明,基于空间算子代数的方法的仿真结果正确,计算效率高,可应用于空间复杂多体系统实时动力学仿真以及控制系统的建模分析.

具有外部扰动双臂空间机器人的神经网络在线自学习补偿控制

探讨了在未知外部扰动影响下,漂浮基双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端爪手协调运动的补偿控制问题。利用系统动量守恒关系对漂浮基双臂空间机器人的运动学、动力学进行分析,导出了系统的工作空间动力学方程。以此为基础,针对系统存在未知外部扰动的复杂情况,设计了漂浮基双臂空间机器人协调运动的神经网络在线自学习补偿控制方案。该控制方案可以有效地避免对载体位置相关量进行实时测量与反馈,并由于神经网络良好的在线自学习补偿作用,有效地补偿了外部扰动对控制精度的影响,大大提高了整个系统的鲁棒性及自适应能力。仿真运算验证了控制方法的可行性。

双臂空间机器人姿态调整运动的最优控制规划

讨论了双臂空间机器人系统姿态调整运动的最优控制规划问题．以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人系统的动量矩守恒关系,并将其转化为系统状态方程;利用近似优化方法给出了一种双臂空间机器人姿态、关节协调运动的最优控制算法．其优点在于,仅控制双臂空间机器人的关节运动,即可同时获得载体姿态及机械臂关节需要的终端位置．系统数值仿真,证实了算法的有效性．