刚柔耦合空间闭链机器人轨迹跟踪与振动抑制研究

针对含多变量高维度空间刚柔耦合闭链机器人的轨迹跟踪和振动抑制问题,提出了一种基于前馈补偿的PD控制方法。首先,采用有限元法对柔性空间构件进行离散,基于浮动坐标系描述柔性构件位移场矢量,并根据Lagrange方程建立考虑刚性末端执行器微小位移的刚柔耦合空间并联机器人动力学模型;然后,利用前馈控制对预先求出的含耦合效应的控制力矩进行补偿,提高刚柔耦合控制系统的响应速度及跟踪性能,同时通过PD控制律保证空间闭链机器人的轨迹精度,并对不同末端载荷作用下的轨迹跟踪精度进行分析;最后,与位置PID算法进行了比较。结果表明:与位置PID算法相比,基于控制算法作用下的刚性末端执行器轨迹精度得到提高,其中,X方向误差降低了89.7%,Y方向误差降低了4.3%,Z方向误差降低了12.9%,柔性空间构件产生的振动得到了有效抑制。

基于空间闭链连杆机构的可折展手爪设计

为了解决多关节手指和手爪多为刚性连接而运动范围有限等问题,课题组基于单自由度面对称Bricard空间闭链连杆机构,提出了一种手指单关节驱动机构。将多个单关节驱动机构串联,组合为一个单自由度的多关节手指驱动机构;进一步,通过课题组提出的单自由度同步驱动副,可同步驱动手爪中的3根多关节手指同步开合、抓取目标物体;在进行可折展手爪的运动学分析和参数求解之后,完成了可折展手爪的样机实验。验证结果表明提出的可折展手爪驱动机构设计合理、抓取性能可靠。

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。

漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统动力学及载荷力/位置混合控制的模糊变结构控制器设计

讨论了载体位置、姿态均不受控制的漂浮基双臂空间机器人抓物系统的动力学建模和控制问题.利用拉格朗日方法和牛顿欧拉法分别建立了双臂空间机器人及负载的非线性动力学模型,结合空间机器人固有的特性及闭合链约束关系,得到抓持系统合成动力学方程.以此为基础,考虑到空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论,针对该抓持系统惯性空间轨迹跟踪设计了全局滑模控制方案及相应的PI内力控制方案,从而达到位置、力的混合控制.为克服滑模控制器抖振的缺点,附加设计了模糊控制器.根据系统的输出来动态调节滑模控制器的参数,从而既可确保系统的快速响应又可降底原有的抖振.系统数值仿真征明了上述控制方案的有效性与准确性.

空间柔性闭链机器人动力学建模与振动仿真

空间闭链机器人的柔性连杆在高速运行状态下产生的弹性变形对系统振动效应具有重要影响。为准确分析柔性连杆对空间柔性闭链机器人振动特性的影响,采用有限单元法对柔性构件进行离散,基于浮动坐标系法描述构件位移场,最后通过Lagrange方程建立空间刚柔耦合闭链机器人动力学模型及振动方程,并分析系统固有频率和振型函数。基于同等参数,利用ADAMS/Vibration模块建立了空间刚柔耦合闭链机器人的自激振动仿真模型,研究系统固有频率和对应模态的变化,以及不同激振力作用下的频率响应特征。结果表明:理论模型和仿真模型的动平台运动轨迹基本一致,并且理论模型与振动仿真模型的固有频率也具有一致性,验证了振动仿真模型建立的正确性。随着激振力幅值的增大,系统响应增强。同一激振频率动平台质心处Y方向响应最大,X方向次之,Z方向最小。其中,系统第11、12阶模态对应的系统变形量最大,对应的激振频率为40~60 Hz。

指数积方法在空间机构运动分析中的应用

介绍了指数积方法的原理 ,以及它在空间闭链机构运动分析中的应用。研究表明 ,用这种方法来进行空间闭链机构的运动分析 ,可以大大简化其计算过程 ,并具有简单易懂、通用性好等优点 ,在复杂空间机构的运动学和动力学分析中 ,有很大的应用潜力。

闭链双臂空间机器人动力学建模及力矩受限情况下载荷运动自适应控制

讨论了在输入受限的情况下,漂浮基双臂空间机器人抓持负载后转移目标过程中的建模与自适应控制问题。利用拉格朗日第二类方程建立了开链空间机器人系统动力学模型,之后结合闭链系统的闭环约束条件,获得了闭链双臂空间机器人系统的动力学方程。在这个基础上,考虑到双臂空间机器人及负载存在参数不确定,系统存在外部扰动及输入力矩有限的情况,设计了自适应控制方案,以完成对载荷位置和姿态运动的精确控制。由带饱和函数的控制律限制输入力矩,采用自适应控制器逼近系统的不确定度。方案中利用高精度滤波器估计系统速度及角速度,从而仅需测量其位置信息。通过Lyapunov方法证明了系统的稳定性。最后通过数值仿真实验模拟了平面双臂空间机器人转移目标过程,并证实了上述控制方案的有效性。

闭链双臂空间机器人动力学建模及载荷基于滑模补偿的力/位置混合控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统的动力学建模与控制问题。利用拉格朗日方法和牛顿-欧拉法分别建立了双臂空间机器人及抓持负载的动力学模型,并结合漂浮基空间机器人固有的动力学特性及闭合链约束几何关系,获得了抓持系统合成动力学方程。以此为基础,考虑到闭链双臂空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了系统参数不确定情况下该抓持系统基于滑模补偿的力/位置混合控制方案;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有效性与精确性。