基于重力模型阶次自适应的实时重力补偿系统研究

重力扰动已成为高精度惯性导航系统的一项主要误差源,对其进行补偿可进一步提升导航精度。通过EIGEN-6C4重力场模型可计算全球范围内的重力扰动,模型阶次越高,计算结果越精确,但相应的计算量和存储量越大,在传统的导航计算机上使用高阶模型很难满足实时性要求,而使用低阶模型会导致较大的截断误差。针对以上问题,根据模型阶次与空间分辨率的关系,以及重力扰动在惯导力学编排中的传播特性,研究了一种易于在嵌入式系统实现的可随载体运动状态降频率、降阶次的实时重力补偿方案,并采用DSP实现了软硬件方案。最后,通过半实物仿真验证了所述方案既能满足实时性要求,也能保证补偿精度:东向及北向位置精度最大提升649 m和686 m,平均提升效果可达2 190阶重力模型补偿后精度提升量级的94%。

精密磨抛加工机器人自主重力补偿方法研究

目的 针对工业机器人磨抛加工过程需消除不同位姿条件下重力矢量对末端力感知的影响,提出一种重力补偿算法,从而精确控制三维磨削力。方法 借助安装在机器人末端的六维力传感器,读取机器人多个随机位姿下实时力和力矩信息,并基于卡尔曼滤波对传感器信息进行有效降噪;通过线性拟合算法对降噪后数据开展数值分析,计算出传感器误差、机器人世界坐标系偏移、末端负载重心大小及重心坐标等参数;根据以上参数并结合机器人当前姿态来实时消除负载重力影响。结果 采用笔者所提算法对同样静态条件下的机器人进行重力补偿,补偿后的重力影响产生的各方向力均近似为0,偏差小于0.1 N。结论 笔者所提出的算法充分考虑了重力补偿参数之间的耦合作用,能够消除重力影响,精确测量出机械臂末端六维力传感器受到的外力以及外力矩。

单自由度吊丝配重式重力补偿机构的精度分析

以单自由度吊丝配重式系统为研究对象,建立系统误差模型。为评估各类几何误差及惯性力对补偿精度的影响,将起吊点和悬挂点的偏离量作为误差评估指标,选定同步误差对应的误差评估指标进行误差匹配,可分析各类误差的影响。研究发现吊丝长度与补偿精度成正相关,各类几何误差对评估指标的影响有差异。惯性力引起的误差可等效成求解悬链线问题,经分析发现,其导致起吊点方向偏转为最大影响因素。算例表明,角加速度过大时,系统对吊丝长度有更高的要求。

机器人轮带磨削的重力补偿设计及加工工艺(特邀)

机器人辅助轮带磨削是一种基于计算机控制光学成形技术的确定性加工方法,具有成本低、柔性好、智能程度高且操作空间大的优点,因此机器人辅助轮带磨削作为一种较低成本的高精度、多自由度加工方法逐渐受到关注。文中介绍了所设计的机器人辅助轮带磨削系统结构及其加工原理,装置通过气动系统进行输出压力的柔顺控制。研究了任意加工姿态下机器人辅助轮带磨削中的恒力加载问题,分析了轮带磨削工具悬臂组件重力分量对其末端输出接触力的影响,建立了末端执行器的重力分量模型,并提出了基于姿态传感器的重力补偿控制方法,能够实现0~63 N范围内的恒力控制,并且最大压力波动小于1.82%,重力补偿系统的响应时间小于300 ms,实现了轮带磨削工具在任意姿态下的恒力加载。最后,根据Hertz接触理论和Preston方程完成了磨削工具在工件接触区域内的压强分布和速度分布分析,建立了轮带磨削工具的去除函数模型,并对碳化硅曲面与硫化锌非球面进行修形磨削实验,验证了装置加工的稳定性。

基于UKF的六维力传感器重力补偿算法研究

为解决人机交互中六维力传感器受末端重力影响导致示数不准确的问题,提出一种基于无迹卡尔曼滤波(Unscented Kalman Filter,UKF)算法的六维力传感器误差校正方法。通过对传感器数据进行处理和估计,实现对传感器误差的准确估计和修正,从而将传感器误差降至0~0.227 N之间。实验结果表明:该方法可以显著提高六维力传感器的测量精度,为人机交互中的精准力控制提供了可靠的技术支持。

基于模糊PID的悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计

针对悬吊式机械臂在工作过程中受起吊荷载的影响而产生的重心不稳现象,在模糊PID控制算法的支持下,进行悬吊式机械臂重力补偿控制系统设计研究;硬件方面,改装主控制器、传感器和通信模块,加设重力补偿装置及驱动电机设备;在此基础上完成软件设计,根据机械臂的组成结构以及工作原理,构建悬吊式机械臂数学模型;在该模型下,检测悬吊式机械臂实时位姿,针对不同位姿建立相应的重力平衡方程;计算机械臂负载力矩,利用模糊PID算法求解机械臂重力补偿控制量,实现悬吊式机械臂重力补偿控制功能;实验结果表明:与传统重力补偿控制系统相比,优化设计系统的控制误差降低了0.056 kN,机械臂的稳定系数提升了0.14,即优化设计系统可提高补偿控制效果,具有一定应用价值。

带过重力补偿的比例导引制导律参数设计与辨识

研究以增大导弹落角为目标的过重力补偿比例导引律及其工程应用。将重力补偿信号作为加速度补偿指令引入线性比例导引回路,从而建立了仿真数学模型,分析了重力补偿系数、比例导引系数等参数对制导系统性能的影响,并根据遥测数据给出实际系统的过重力补偿系数、比例导引系数的辨识结果从而验证了理论设计结果,得到过重力补偿比例导引律的一般设计方法。

摇臂转向架式星球车单索重力补偿

为简单、准确地进行摇臂转向架式星球车(简称星球车)低重力模拟,研究其单索重力补偿的问题。提出使用单根补偿吊索和摇臂配重模拟星球车所有姿态下全部车轮地面接触力的方法。以四、六轮星球车为例,建立崎岖地型上轮地接触力模型;通过分析模型的解结构,证明'正确补偿接触力'等价于'正确补偿狭义接触力(全部接触力水平分量为零时的特例)';给出吊索和配重(补偿力系)的施加方法;通过证明补偿后的狭义接触力与低重力环境中一致,证明补偿方法正确。仿真结果验证了此方法的优势和正确性。针对向车厢(封闭体)内部点施加补偿力的问题,提出相似悬挂原理:利用悬挂体和封闭体上关节点、受力点的全等位置关系,使连接于悬挂体上的吊索始终向封闭体内部点施加等效补偿力。为避免拆解星球车进行质心测量,提出使用不同姿态下的狭义接触力计算、校正补偿力系的方法;相应地,给出狭义接触力的测量原理和测量平台结构。实践证明,研究为星球车的低重力模拟提供了简单、精确的方案原理和方法。

基于多频段重力扰动的惯性导航系统重力补偿方法研究

重力扰动补偿技术是进一步提升高精度惯性导航系统定位精度的一种重要手段。本文针对重力扰动对高精度惯性导航系统的影响,深入分析重力扰动影响惯性导航系统的误差特征与频率特征,通过将多频段重力扰动引入惯性导航解算,对采用多频段重力扰动实现惯性导航系统重力补偿的方法进行了研究。研究表明,水平重力扰动在惯导输出中可造成舒勒振荡变化的导航误差,且误差振幅与重力扰动的大小成正比。北向或东向的重力扰动分量除了引起纬度/经度方向的速度和位置误差外,也可通过水平通道间的交叉耦合效应引起经纬度另一方向的速度和位置误差。特别对于低速运行的水下载体,水平重力扰动的高频信号对惯性导航系统的位置影响更为显著。为补偿水平重力扰动引起的惯性导航误差,提出基于重力场模型联合剩余地形模型技术确定多频段重力扰动的重力补偿方法,可有效恢复重力扰动的高频信号。通过开展船载和陆地车载动态试验,验证了该重力补偿方法的有效性,该补偿方法能减弱惯性导航的误差振荡趋势,经过补偿后的车载和船载双轴旋转调制惯性导航系统位置定位精度最大分别提高了约13.2%和17.9%。

圆筒型Halbach次级结构磁悬浮重力补偿器

提出一种结构新颖的圆筒型磁悬浮重力补偿器,次级采用Halbach永磁结构,具有悬浮力大、法向刚度低等特点。介绍了圆筒型磁悬浮重力补偿器的结构,建立圆筒型磁悬浮重力补偿器的数学模型,利用等效电流法对气隙磁场进行解析,推导出静态悬浮力、动态悬浮力及法向刚度的数学表达式。利用有限元法对圆筒型磁悬浮重力补偿器的静态特性进行仿真分析,阐述低刚度被动磁悬浮中的特殊问题。最后研制一台样机,通过实验测试验证了所提出圆筒型磁悬浮重力补偿器的可行性。

力觉交互设备的重力补偿实验研究

针对自主研发的力觉交互装置进行了重力补偿的实验研究,提出了重力补偿的实验算法,并验证了算法的有效性。首先利用拉格朗日方程的方法对机构进行重力补偿的原理性计算,得到电机为平衡重力所输出力矩的计算方法;然后以虚拟样机为基础,应用三维实体造型软件SolidWorks和机械动力学分析软件AD-AMS建立了力觉交互装置的虚拟样机,通过仿真分析验证了理论推导的正确性;最后通过力觉交互系统实验平台验证了重力补偿算法的有效性。

鸭舵控制的防空制导炮弹重力补偿分析

为提高防空制导炮弹的制导精度,针对一对舵翼鸭式布局的有控防空炮弹,分析了一对鸭翼周期平均控制力的形成机理,建立了基于周期平均理论的6自由度防空炮弹有控弹道模型,推导了操纵力对弹丸周期平均攻角的关系方程,研究了重力补偿所需大小的计算方法.计算仿真结果表明,在防空炮弹纵向平面内,控制力经重力补偿后,由重力引起的弹道偏差得到了改善.

利用BP-NN算法的机器人臂重力补偿研究

利用反向传播神经网络(BP-NN)学习算法,对机器人臂的重力补偿进行了研究。给出了机器人臂各关节扭矩的重力项理论计算公式及其连杆参数识别方法,同时,对BP-NN算法进行了详细分析,利用BP-NN来处理机器人臂重力项并进行试验。试验结果表明,采用该学习算法得到的机器人臂重力项输出值和实测值基本一致,能有效减少机器人臂重力项计算量,达到实时控制的目的。

一种1T2R卧式布局并联机构的重力补偿策略

以3-RPS卧式布局并联机构为研究对象,通过添加弹簧元件并优化设计弹簧安装位置及其相关参数,完成了对该类机构的重力补偿策略研究.首先,选用定刚度螺旋拉簧为重力补偿元件,以机构总势能在工作空间中的波动量最小为目标,施以约束条件,完成弹簧安装位置及相关参数的优化设计.其次,利用线性叠加原理构造了机构的静柔度半解析模型,并通过重力补偿前后的效果对比,校验了重力补偿策略的有效性.研究结果表明,添加弹簧元件后,大幅度降低了重力造成的机构末端变形,补偿效果明显.该重力补偿策略简捷有效,可为类似并联机构的重力补偿提供参考与借鉴.

计及重力补偿的卫星制导炮弹最优制导律设计

针对卫星制导炮弹体积小、弹载计算机计算能力有限的特点,提出并建立了一种简易的计及重力补偿的最优制导律,给出了卫星制导炮弹制导信息获取的数学方法,对比例制导律、弹着角约束最优制导律、计及重力的比例制导律和计及重力弹着角约束最优制导律,进行了六自由度弹道对比仿真分析。仿真结果表明,本文提出的计及重力补偿的制导律具有结构简单、需用法向过载小且突变量较低等特点,易于在弹道调控能力不足的制导炮弹上实现。

机器人自动研抛系统平台搭建及重力补偿研究

为进行复杂曲面工件的柔顺研抛加工,自行搭建了机器人自动研抛系统平台,系统的关键技术之一是实现ATI六维力/力矩传感器和PC机的在线研抛力控制。通过对传感器测量值进行受力分析,提出研抛工具和连接件的重力补偿算法,用于消除加工过程中重力产生的干扰。采取基于位置内环的力外环柔顺控制策略,以45钢曲面工件作为加工对象进行研抛实验。实验结果表明,研抛力在一定范围内保持相对恒定,研抛曲面加工质量稳定,证明了该机器人自动研抛系统平台的可行性,良好地实现了机器人的自动化研抛加工。

在线重力补偿下工程机器人自主作业轨迹跟踪性能分析

工程机器人自主作业时,工程机器人动臂举升、前臂摆动重心上升过程中需要克服自身重力做功,而在工程机器人动臂下降、前臂摆动重心下降过程中,自身重力要参与做功,影响工程机器人的运动速度,进而影响工程机器人自主作业的轨迹跟踪效果。针对这一问题,建立了工程机器人动臂、前臂的动力学模型,探讨采用最小二乘拟合法辨识动力学参数,进行工程机器人动臂、前臂的在线重力补偿,以消除在自主作业过程中重力做功对轨迹跟踪的影响。最后,在工程机器人试验台上进行了试验。试验结果表明,在线重力补偿可有效地补偿工程机器人自主作业过程自身重力,消除工程机器人动臂和前臂在运动过程中重力做功对自主作业轨迹跟踪过程的影响,有利于减小轨迹跟踪误差,提高工程机器人自主作业轨迹跟踪的性能。

遥控焊接工具装配力控制的重力补偿算法

在"宏观遥控,局部自主"控制思想的基础上,建立了机器人遥控焊接工具装配力控制试验系统.通过工具重力计算和线性最小二乘进行工具负载参数标定,并提出了基于工具负载参数的重力补偿算法,用于消除工具装配力控制过程的重力干扰.针对专用的装配工具,进行了负载参数标定试验和无接触条件下的重力补偿试验.结果表明,工具重力补偿算法达到了较高的精度,重力补偿的最大误差小于1 N,重力矩补偿的最大误差小于0.1 N.m,能够满足工具装配局部自主力控制的需要.

具有固定重力补偿的机器人控制研究

机器人控制的目的是要控制机器人末端的位置和姿态,使其可以从工作空间内的任意起始位置出发都可以到达工作空间内的期望位置。机器人系统的控制离不开对系统的动力学分析,由机器人动力学特性可知,相对于摩擦力、哥氏力、离心力,重力对机器人动态特性的影响更大,不考虑重力补偿而采用固定控制往往存在相对恒定的关节误差。通过对机器人的重力补偿使控制器输出克服重力,并对其稳定性进行分析,从而降低关节误差,达到机器人的期望位置。最后通过对机器人仿真验证重力补偿的实际效果。

具有不确定性重力补偿的无标定视觉伺服

文章首先叙述了视觉伺服的分类。给出了机器人动力学模型及其主要性质、自适应复合雅可比矩阵的具体推导过程。摄像机位于机器人末端的情况被考虑,给出了具有不确定性重力补偿的无标定PD视觉伺服控制器,而后运用李雅普诺夫方法对其进行了稳定性分析,结果证明系统能够渐近稳定。为了验证算法的有效性,针对一个二连杆eye-in-hand视觉伺服定位系统进行了仿真,仿真结果说明了算法的有效性。