FORCE FEEDBACK MODEL OF ELECTRO-HYDRAULIC SERVO TELE-OPERATION ROBOT BASED ON VELOCITY CONTROL

The tele-operation robotic system which consists of an excavator as the construction robot, and two joysticks for operating the robot from a safe place are useful for performing restoration in damaged areas. In order to accomplish a precise task, the operator needs to feel a realistic sense of task force brought about from a feedback force between the fork glove of slave robot and unfamiliar environment. A novel force feedback model is proposed based on velocity control of cylinder to determine environment force acting on fork glove. Namely, the feedback force is formed by the error of displacement of joystick with velocity and driving force of piston, and the gain is calculated by the driving force and threshold of driving force of hydraulic cylinder. Moreover, the variable gain improved algorithm is developed to overcome the defect for grasping soft object. Experimental results for fork glove freedom of robotic system are provided to demonstrate the developed algorithm is available for grasping soft object.

电液力伺服系统的反馈线性化滑模控制研究

针对电液力伺服系统具有参数不确定性、不确定非线性和外部干扰等问题,将反馈线性化理论与滑模控制理论相结合,提出了一种基于反馈线性化的滑模控制方法,实现了对电液力伺服系统进行较高精度跟踪的目的。首先,建立了电液力伺服系统的非线性数学模型,采用微分几何理论将非线性系统中的动态特性变换为线性的动态特性,实现了输入—状态的精确线性化;然后,在控制器中引入了滑模变结构控制,设计了反馈线性化滑模控制器,基于李雅普诺夫稳定性原理,证明了基于反馈线性化控制器的稳定性;最后,利用MATLAB/Simulink软件建立了电液力伺服系统及控制器的仿真模型,对设计的基于反馈线性化控制器进行了仿真验证,分析了不同幅值的信号、随机干扰对系统控制效果的影响。仿真实验结果表明:与PID控制算法相比,采用基于反馈线性化控制算法力使跟踪误差缩小了96.7%,调整时间缩短了90%。研究结果表明:基于反馈线性化控制算法能有效降低非线性因素对跟踪精度的影响,提高系统的力跟踪精度,具有更好的鲁棒性和更优的控制效果。

AHV4-PLS364可控震源峰值出力过高故障分析与解决

在可控震源勘探施工中,低频扫描施工越来越流行,扫描频率通常从1.5 Hz开始,低频时伺服阀死区对震源出力影响严重,在2~4 Hz出现出力曲线凹陷,而5~8 Hz时往往出现超出震源理论最大出力很多的峰值力,这是由于伺服阀死区的非线性引起的震源出力凹陷或者出现极高的峰值力。随着扫描频率的提高,死区所占比例减小,对活塞腔压力的影响也减小,所以,峰值力迅速减小,很快到正常水平。伺服阀存在死区封闭了重锤活塞腔,造成活塞腔压力突变对震源出力带来了影响,要想消除活塞腔压力突变对伺服阀的影响,可以从提高压力反馈、提高伺服阀的稳定或者提高系统控制增益等方面来进行。

遥操作工程机器人力觉双向伺服控制系统

针对并行机构的力反馈双向液压伺服控制中所存在的反馈力冲击大及位置跟随差的问题,提出了一种以主、从手之间的力偏差作为主动端控制信号,位置偏差和力偏差形成从手控制量的改进并行型力觉反馈控制算法;结合遥操作工程机器人主从控制的特点,建立了该算法的动力学模型;搭建并分析了两自由度双向伺服控制实验系统。实验结果表明,该控制算法明显改善了主、从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,同时具有控制简单、收敛速度快、实时性好的特点。

具有力觉临场感的主-从机器手双向控制策略

设计了液压伺服主、从机器手(简称主、从手),并对力觉双向伺服控制进行研究。零开口对称伺服阀的结构决定了需要主手的控制力信息通过控制器间接驱动从手,这一过程影响了系统的响应速度。本文采用主、从手的力偏差信号控制从手,用从、主手的位置偏差信号控制主手获得力觉反馈,这种新控制策略改变了从手跟随主手,主手感受从手力的常规控制模式,提高了主-从控制系统的响应速度,并可根据主手对从手的跟随来判断从手是否出现干涉等。

遥操作机器人的新型力反馈算法

在采用液压挖掘机改造的遥操作机器人双向伺服控制系统中,针对大臂和前臂两个自由度构建力反馈控制算法。以准确地获取从端机器人与环境的作用力,使反馈力能够更好地反映从端工作状况为目的,采用构建干扰力补偿项的方法消除干扰力对反馈力的影响;以机器人转角为输入,以空载时检测到的液压缸作用力为输出,通过径向基函数构建干扰力补偿项,此补偿项可对多种因机器人的机械本体动力学特性产生的干扰力之合力进行补偿。实验证明,在以液压机构为从手的双向力反馈系统中,通过构建干扰力补偿项的方法提高力反馈效果的方法是可行的,采用的带有干扰力补偿的力反馈算法有效地消除了重力、摩擦力等干扰力的影响,有助于操作者更为准确地感受环境作用力。该算法适用于各类机器人连杆传动机构的力反馈控制。

液压力觉双向伺服系统的策略切换控制

在主手为液压力反馈手柄而从手采用液压缸位置伺服装置驱动的力觉双向伺服系统中,为解决从手与刚性物体接触时产生的震荡问题,提出策略切换控制算法。针对柔性负载,采用包含主从手力及位移的四通道式从端驱动型策略,使用主从手力之差驱动从手,再以主手跟随从手位移;在刚性负载下,为避免从手力突变影响位置环而产生震荡,采用不包含从手力的三通道策略;根据从手负载力和速度设计判断指标,控制两种策略的切换。通过刚柔性两种物体的抓取实验证明该策略对刚柔性物体均有良好的力反馈控制效果,并避免了原有的从端力驱动型策略在抓取刚性物体时产生的震荡问题。

基于QFT的电液力伺服系统的鲁棒控制

采用QFT方法 ,对电液伺服加载系统进行了鲁棒控制器设计。结果表明 ,控制器能够有效地抑制参数扰动 ,如弹性负载刚度变化、有效体积弹性模数变化等。控制器结构简单 ,工程上易于实现 ,有较高的实用价值。

新型力觉径向基神经网络整定PD控制算法研究

结合双向液压伺服系统的特点,通过对国内外的双向伺服控制系统分析,提出一种以主从手之间的力偏差作为从动端控制信号,位置偏差形成主手控制量的新型力反馈双向伺服控制系统,同时采用了RBF神经网络整定PD控制算法。通过仿真实验结果表明,该算法对新型力觉双向伺服控制系统具有控制简单、收敛速度快、实时性好的特点,进而改善了系统的动态性能,具有较强的鲁棒性、自适应性和快速性。

电液伺服加载的神经网络内部反馈控制

针对电液伺服加载系统多余力问题,提出了一种反馈加载系统内部力差信号减少多余力的控制方法。为了消除液压非线性及参数变化等影响,进一步提出基于神经网络内部参考模型调节方法。该参考模型为无舵机扰动时的液压油缸负载压力方程,在加载过程中,将油缸的负载压力与参考模型输出比较,利用神经网络自适应调节能力,消除加载中舵机运动的速度和加速度干扰,同时也克服液压系统非线性,时变参数和扰动的影响,该方法有较好的适用性。

新型模块化机械臂的研制及其有限元分析研究

针对机械臂的设计特点和技术难点,对机械臂的本体结构进行了研究,提出了一种全新的模块化设计方法,该方法通过Solidworks建立了机械臂三维模型,进行了模块化机械臂伺服单元的设计。首先,对机械臂的电机和谐波减速器进行了选型,通过实验计算了不同关节角度的转矩,确定了最终的选择方案;然后,利用Ansysworkbench对机械臂的关键零部件进行了有限元分析,得出了机械臂第二关节等重要部件的应力和位移云图,从体积布局以及工作模式等角度进行了硬件设计,采用闭环控制算法和力反馈算法开发方案,实现了三闭环的伺服电机控制和一体化伺服驱动单元的力反馈;最后,在结构和算法的基础上开发出了OUR系列模块化机械臂。研究结果表明,关键零部件具有较大的刚度和强度,各关节具有高度的独立化和模块化。

基于交流电机电子模拟器的伺服系统检测技术

为解决伺服系统故障时无法准确判断故障的部位和原因,现场检查、排故困难等问题,设计开发了一种交流永磁伺服电机电子模拟系统,实现了伺服系统在线检测,通过MATLAB仿真以及在伺服系统设定转速500 r/min和1 000 r/min下的跟随实验,研究了交流永磁伺服电机电子模拟系统配合驱动控制系统工作的效果.结果表明:电机模拟系统能够模拟交流永磁伺服电机内部结构及负载,收集三相电流,计算伺服系统转速和角度,转速相对误差不超过10!,再现了交流永磁伺服电机及其负载的工作状态,并能模拟出准确转速及位置反馈信号,简单快速地实现了伺服系统的检测检验.

H_∞控制的主从遥操作力觉双向伺服控制系统研究

针对力反馈双向液压伺服控制中存在的反馈力冲击大及位置跟随特性差的问题,提出了一种以主/从动机械手之间的力偏差为从动端控制信号,由位置偏差和力偏差形成主动机械手控制量的新型力觉反馈控制策略。结合遥操作工程机器人主从控制的特点,通过对液控操纵杆系统进行H∞控制的状态观测器补偿,改善了液压马达的动态特性差异。进行了力觉双向伺服控制实验,实验结果表明,该控制策略明显改善了主-从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,同时该控制策略具有控制简单、收敛速度快、实时性好等特点。

新型力觉双向液压伺服PD控制算法

力反馈技术在遥操作工程机器人作业领域中是一门新兴的前沿技术,进行这方面的研究具有广泛的应用前景.为此结合双向液压伺服系统的特点,通过对国内外的双向伺服控制系统分析,提出一种以主、从手之间的力偏差作为主动端控制信号,位置偏差和力偏差形成从手控制量的新型力反馈双向伺服控制系统,通过仿真实验结果表明,该算法对新型力觉双向液压伺服控制系统具有控制简单、收敛速度快、实时性好的特点,进而改善了系统的动态性能,具有较强的鲁棒性、自适应性和快速性.

伺服加载的一种新反馈控制方法

电液伺服加载广泛用于航空工业中模拟飞行器的气动力。对于运动加载进行了大量的研究,但在实践中,还不能有效地解决多余力问题,因为舵机系统在加载系统的输出加入了强干扰。与一般从外部引入信号消除多余力方法不同,提出一种通过内部反馈减少多余力的新控制方法。可测量的内部反馈信号补偿伺服阀的流量变化,从而消除了加载系统跟踪的滞后,反馈以后,强耦合效应已不是主要的问题,舵机运动的速度干扰多余力消除了。通过模型仿真进行了验证。文章结论:运动加载中,内部反馈能够消除多余力,具有一般的适用性,工程实现上,反馈函数简单,反馈信号可以在实际中测量到。

液压二自由度力反馈操纵杆设计

开发了一种用于遥操作双向伺服系统力反馈工作的液压二自由度力反馈操纵杆.该操纵杆采用PID控制器控制的电液伺服系统进行驱动,可以有效地解决一般电机型力反馈操纵杆在刚度和响应速度方面不足的问题.介绍了系统的软硬件构成,并通过对系统运动性能的分析,设计了用于该系统的力反射型力反馈算法,最后通过实验验证了该算法的有效性.实验证明,该操纵杆具有较好的力反馈操作特性,能够满足遥操作系统力反馈工作的需要.

力反馈电液伺服阀线圈余度设计与切换分析

鉴于航空发动机控制系统的可靠性要求,航空发动机数控系统多采用了多余度、多通道的输入、输出结构。因此有必要对典型的执行机构进行多余度设计与分析。通过AMESim仿真软件对此类装置构成的多余度、多通道的控制执行装置的可能结构及所具有的功能与性能,尤其是控制通道的故障、切换性能进行建模与仿真研究。仿真结果表明设计的不带切换开关的电液伺服阀性能更加优越。

遥操作机器人力反馈双向伺服控制策略研究

针对并行机构的力反馈双向液压伺服控制中所存在的反馈力冲击大及位置跟随差的问题,提出一种以主、从手之间的力信号作为从动端控制信号,位置信号形成主手控制量的新型力觉反馈控制算法。应用阀控液压缸和力传感器构成液压力伺服控制器,构建力反馈双向伺服控制试验系统。在空载、抓轮胎和抓石块3种负载情况下,分别进行了力、位置跟随性能实验。实验结果表明:该力反馈控制方法既能保证从手对主手的位置跟随精度,又能使主手准确连续地跟随从手受力情况,明显改善了主-从控制系统的操纵性能,操作者能够获得真实的力觉临场感,提高了力反馈透明性。

双喷嘴挡板力反馈伺服阀的阀芯振荡分析

基于双喷嘴挡板力反馈伺服阀的结构特点,根据伺服阀内部的压力-流量方程、阀芯运动学方程,首次建立了伺服阀阀芯振动的数学模型,推导了伺服阀固有频率及幅值放大系数的数学表达式;并以国产某型号伺服阀为例进行了理论分析,研究了阀芯质量、反馈杆刚度对于伺服阀固有频率及幅值放大系数的影响。结果表明:固有频率随阀芯质量的增加、弹簧杆刚度的降低而依次降低;幅值放大系数随阀芯质量、载荷频率、弹簧杆刚度的增加而依次降低。本文研究为双喷嘴挡板力反馈伺服阀的设计提供了理论基础。

基于力觉反馈的电液伺服系统设计

借鉴电机驱动主从随动控制系统的研究方法,并根据液压系统的特殊性,对电液伺服遥操作主从机械人的力觉临场感进行分析。综合对称型双向伺服控制系统和力直接反馈型双向伺服控制系统的优点,以从端受力形成力反馈控制量的增益,位置误差和位置误差的变化率形成力反馈控制量,提出改进的对称型控制算法,即力-位置综合型双向伺服控制算法。实验结果验证了该方法的有效性和实用性。