A Review on Cable-driven Parallel Robots

Cable-driven parallel robots(CDPRs) are categorized as a type of parallel manipulators. In CDPRs, flexible cables are used to take the place of rigid links. The particular property of cables provides CDPRs several advantages, including larger workspaces, higher payload-to-weight ratio and lower manufacturing costs rather than rigid-link robots. In this paper, the history of the development of CDPRs is introduced and several successful latest application cases of CDPRs are presented. The theory development of CDPRs is introduced focusing on design, performance analysis and control theory. Research on CDPRs gains wide attention and is highly motivated by the modern engineering demand for large load capacity and workspace. A number of exciting advances in CDPRs are summarized in this paper since it is proposed in the 1980 s, which points to a fruitful future both in theory and application. In order to meet the increasing requirements of robot in different areas, future steps foresee more in-depth research and extension applications of CDPRs including intelligent control, composite materials, integrated and reconfigurable design.

Optimal Design and Force Control of a Nine-Cable-Driven Parallel Mechanism for Lunar Takeoff Simulation

Traditional simulation methods are unable to meet the requirements of lunar takeo simulations, such as high force output precision, low cost, and repeated use. Considering that cable-driven parallel mechanisms have the advantages of high payload to weight ratio, potentially large workspace, and high-speed motion, these mechanisms have the potential to be used for lunar takeo simulations. Thus, this paper presents a parallel mechanism driven by nine cables. The purpose of this study is to optimize the dimensions of the cable-driven parallel mechanism to meet dynamic workspace requirements under cable tension constraints. The dynamic workspace requirements are derived from the kinematical function requests of the lunar takeo simulation equipment. Experimental design and response surface methods are adopted for building the surrogate mathematical model linking the optimal variables and the optimization indices. A set of dimensional parameters are determined by analyzing the surrogate mathematical model. The volume of the dynamic workspace increased by 46% after optimization. Besides, a force control method is proposed for calculating output vector and sinusoidal forces. A force control loop is introduced into the traditional position control loop to adjust the cable force precisely, while controlling the cable length. The e ectiveness of the proposed control method is verified through experiments. A 5% vector output accuracy and 12 Hz undulation force output can be realized. This paper proposes a cable-driven parallel mechanism which can be used for lunar takeo simulation.

Robust scheme of global parallel force/position regulators for robot manipulators under environment uncertainty

A simple robust scheme of parallel force/position control is proposed in this paper to deal with two problems for non-planar constraint surface and nonlinear mechanical feature of environment： i） uncertainties in environment that are usually not available or difficult to be determined in most practical situations; ii） stability problem or/and integrator windup due to the integration of force error in the force dominance rule in parallel force/position control. It shows that this robust scheme is a good alternative for anti-windup. In the presence of environment uncertainties, global asymptotic stability of the resulting closed-loop system is guaranteed; it environment with complex characteristics. Finally, numerical robot manipulator. also shows robustness of the proposed controller to uncertain simulation verifies results via contact task of a two rigid-links

The Design and Simulation of the 2-D micro-carving parallel robot

A convenient and effective close loop control scheme, based on the analysis of the robot structure and its control link, has been proposed to satisfy the 2D mini-parallel-carve robot design in this paper. With the introduction of sequent deduction and reversed simulation in the conceiving phase, but more important, with the adoption of the proper restriction to reassure the exclusive result of coordinate transformation and movement planning, the equipment is designed and completed finally with satisfy conclusion.

平面并联机器人离线PID控制优化研究

为了使平面并联机器人在闭环控制系统中具有更稳定的控制性能。对此,这里构建了平面五杆并联机器人动力学模型及其控制系统模型,给出了控制系统的增益矢量p。对机器人系统模型进行离线PID控制优化,通过控制增益来设计控制系统中的增益矢量p,从而实现非线性单目标动态优化(NLMODOP)。在NLMODOP中加入动态约束,采用带约束处理机制的差分进化(DE)算法求解平面并联机器人的非线性规划问题,进而处理不稳定的动态优化。对机器人模型中的五个连杆进行仿真实验,并对有无DE算法控制的仿真结果进行了比较。结果表明:相比于无DE算法,采用DE算法下的机器人系统模型的连杆跟踪位移基本无跟踪误差。说明基于差分进化算法的平面并联机器人离线PID控制优化具有较好的控制精度和跟踪性能。

Stewart平台神经网络非奇异终端滑模控制

针对Stewart平台的六自由度(six degrees of freedom,6-DOF)轨迹跟踪问题,提出一种基于神经网络的非奇异终端滑模控制方法并应用于Stewart平台的位置姿态控制中。通过分析Stewart平台的位置反解和速度反解,建立运动学方程,利用牛顿-欧拉方程建立动力学方程,并结合加速度反解得到了平台的状态空间表达式;基于非奇异滑模面函数,设计非奇异终端滑模控制律。考虑到径向基函数(radial Basis function,RBF)神经网络的逼近特性,采用RBF神经网络对模型未知部分进行自适应逼近,并利用Lyapunov第二法设计了自适应律;通过仿真证明控制器设计的有效性。仿真结果表明,相比于比例积分微分(proportional integral derivative,PID)控制器,提出的RBF神经网络非奇异终端滑模控制器具有更好的轨迹跟踪精度和动态特性。

多算法融合的并联食品分拣机器人轨迹跟踪控制方法

目的:解决并联食品分拣机器人轨迹跟踪控制方法存在的控制精度低和运动稳定性差等问题。方法:在四自由度并联机器人结构基础上,提出将滑模控制算法、模糊控制算法和改进蝙蝠算法相结合用于并联食品分拣机器人轨迹跟踪控制。通过改进蝙蝠算法对模糊算法带宽进行寻优,通过优化的模糊控制算法自适应调整滑膜控制算法的模糊增益和滑膜面斜率,降低控制器的跟踪误差,提高抗干扰能力,并验证所提轨迹跟踪控制方法的优越性。结果:所提轨迹跟踪控制方法实际分拣准确率为99.90%,平均分拣时间为0.509 s。结论:与常规方法相比,所提轨迹跟踪控制方法的关节轨迹跟踪精度更高,抗干扰能力更强,输出力矩更加平滑。

绳驱动并联打磨机构模糊控制策略

船舶坞修作为维护和修复船舶结构的关键环节,在船舶行业中扮演着重要的角色。然而,目前船舶坞修时表面打磨过程依赖于传统的人工作业,存在着效率低、工时长、危险性高等问题。为此,提出了一种新型绳驱动式打磨机构,该机构采用四根绳索驱动打磨装置实现三自由度的运动。首先,通过拉格朗日法建立系统的动力学模型;然后在动力学模型的基础上提出了一种带有绳索张力优化项的Fuzzy-PID(proportional integral derivative)控制策略,该控制策略可以实现精确的轨迹跟踪并保证绳索处于张紧状态;最后,通过数值仿真验证所提控制策略的有效性。结果表明,和绳牵引并联机器人上常用的PID控制相比,所提控制策略控制精度提高25%,具有较高的控制精度和稳定性。本文提出的绳驱动式打磨机构及其控制策略可为大型结构件表面处理和精密制造等应用提供一定理论支持。

涂覆并联机器人轨迹跟踪同步控制策略研究

当涂覆并联机器人两侧分支不同步或从主动关节到末端执行器存在运动传递误差时,会影响机器人的轨迹跟踪性能。为此,提出一种结合深度学习的智能跟踪滑模同步控制方法(ITSSMSC)。基于复合误差设计滑动面,利用深度学习算法训练具有多隐层的深度神经网络,在不调整额外参数的情况下跟踪由不同涂层工艺要求决定的任意给定轨迹,并保证同步性能。最后,通过实验验证了该控制方法的有效性。结果表明:该控制方法在不同期望轨迹下均能实现良好的跟踪控制性能和同步性能。

分拣并联机器人自适应滑模控制

串类水果分拣并联机器人分拣负载未知且动态变化,当水果串发生牵连时将引起负载转动惯量发生较大变化。为实现串类水果分拣并联机器人的高性能控制,提出一种能够在线辨识系统负载转动惯量的自适应滑模控制算法。在分析交流伺服电机机械运动方程的基础上采用梯度校正参数辨识算法辨识负载转动惯量,设计出一种自适应规则以提高并联机器人系统克服负载变化的能力,同时有效抑制滑模控制带来的抖振。在MATLAB上对该控制算法进行仿真,并将其应用于串类水果分拣并联机器人样机平台进行实验,实验结果验证了算法辨识负载变化的有效性。

基于ESO的分拣并联机器人无标定视觉伺服自适应滑模控制

针对无标定分拣并联机器人需获取精确图像雅可比矩阵的问题,同时为克服图像检测误差、建模误差及外部干扰对无标定视觉伺服系统的影响,提出一种基于扩张状态观测器(extended state observer,ESO)的分拣并联机器人无标定视觉伺服自适应滑模控制方法。通过将表征机器人图像空间与任务空间映射关系的图像雅可比矩阵与系统不确定项集总到同一通道的状态方程,引入ESO对分拣并联机器人视觉伺服系统的集总不确定性进行在线估计,设计一种基于扩张状态观测器的自适应积分滑模控制器,并通过设计自适应律动态调整滑模控制切换增益,以提高视觉伺服系统精度,同时达到抑制滑模控制抖振的效果。采用Lyapunov稳定性理论证明该控制方法的稳定性,最后通过仿真实验验证了所提出视觉伺服自适应滑模控制方法的可行性和有效性。

三自由度并联机器人的轨迹跟踪滑模控制

为了提高并联机器人在有干扰或者模型不确定情况下的工作性能,本文设计了一种模糊自适应滑模控制方法,并将其应用于平面3-PRR并联机器人的轨迹跟踪控制中。首先,采用解析法对机器人进行了运动学分析,并基于虚功原理法建立了其动力学模型;其次,改进了滑模趋近率以提高误差收敛速度,同时利用滑模变量设计了模糊控制器,动态调节滑模控制自适应项的增益,以消除抖振并提高控制精度。最后利用Simulink对同一轨迹进行了仿真实验,并应用不同的控制方法进行了比较。仿真结果表明,所提控制方法在不同的干扰下,轨迹跟踪误差更小,抗干扰能力更强,对于三自由度平面并联机器人的位置控制非常有效。

Application of μ Theory in Compliant Force Control

The application of μ theory in compliant force control system is studied. A compliant force control strategy is developed based on the inner loop position control of 6-DOF parallel robot in order to simulate the push and pull process of forcible alignment in space docking, Considering uncertainties such as parameter perturbations, model perturbations and external disturbances, etc., a robust force controller is designed using μ synthesis theory. The robust stability and robust performance are compared by analysis between the designed robust force controller and the classical force controller. The experiment results of the designed robust force controller and the classical force controller are shown. The results indicate that the designed robust force controller is of efficiency and superiority.

Development of a Wire Driven Robot for Grinding with Stiffness Adapted

Along with development of new design and machining me thod production with more complex surface can be manufactured. Researching on th e new equipment used for surface disposal has become the important matter. Grind ing and polishing are a common surface processing method. A new type wire driven parallel robot used for grinding processing is proposed in this paper. Wire driven parallel robot is developed from parallel robot and serial wire driven r obot. Steel wire is used to replace the leg of parallel robot. Compared with par allel robot, this kind of robot has lager workspace, lower weight, higher rigidi ty and higher load/deadweight ratio. And the stiffness of robot is controlled by changing the tension of wire. The robot proposed in this paper has three DOF. T he moving part is driven by four wires, three of them are used to drive and the rest to keep them tension, with a restraining machine. The position sensors are installed in restraining machine. The position of terminating of end-effecter c an be ascertained in the space. The tension sensors are installed in each wire t o form force feedback system. By changing the tension the force on the workpiece can be controlled. Also the stiffness of robot can be adjusted.

新型四足并联军用机器人步态控制算法及仿真

在多关节步行机器人控制策略中,全部采用中央模式(CPG)网络进行控制的方法具有参数繁多、网络结构复杂的特点;机器人的工作环境通常多变且复杂,对机器人的灵活性和抗干扰能力提出了更高的要求,故仅采用单一的控制模式很难满足上述需求。针对上述问题,在机器人控制上把基于CPG的控制方法和基于虚拟模型的控制方法进行综合,对单腿为3-UPS机构的四足并联军用机器人设计了一种新型步态控制算法,用CPG完成机器人的基础步态,完成输入输出之间的非线性振荡器网络模型的搭建,并将模型的输出与关节电机的驱动力矩构成映射关系;再用虚拟模型生成行走时保持机器人平稳姿态所需要的足端虚拟力,并将足端虚拟力映射为关节驱动力矩。通过V-REP与MATLAB软件对该步态控制算法进行联合仿真实验。仿真结果表明:所提出的步态控制算法有效;新算法的优势在于简化控制网络的同时还能保证机器人在行走过程中拥有较强的灵活性和抗干扰能力,这种新型控制模式为四足并联军用机器人的步态控制提供了新的思路与方法。

柔索驱动拣矸机器人分拣轨迹跟踪控制研究

柔索驱动并联机器人具有运动速度快、工作空间大以及动态承载能力强等优点而被用于煤矸石的快速精准分拣。然而,由于柔索的柔性和单向受力特性,在运动过程中柔索必须时刻保持张紧,使得柔索驱动拣矸机器人的精准分拣控制面临着巨大挑战。同时,拣矸置矸过程所导致的动态冲击和动力学参数的不确定、以及外界干扰等因素势必会影响拣矸机器人末端抓斗的运动精度,甚至导致目标矸石的抓取工作失败。因此,提出了一种能够保障拣矸机器人末端抓斗运动精度的鲁棒自适应模糊控制策略,以克服拣矸置矸过程所产生的动力学参数扰动和外界干扰等因素的影响。基于Lyapunov稳定性理论,证明了所提控制策略的稳定性。并通过空间螺旋轨迹和实用的分拣轨迹对所提出控制策略的控制效果进行了仿真分析。结果表明:末端抓斗对预定运动轨迹的跟踪效果良好,最大位置跟踪误差和均方根误差分别为2×10^(-2) m和8.9867×10^(-4) m;柔索驱动力光滑连续且满足柔索驱动力约束条件。证明了文中鲁棒自适应模糊控制策略对柔索驱动拣矸机器人轨迹跟踪控制有效且可靠。研究能够为柔索驱动拣矸机器人的进一步应用奠定良好的理论基础。

一种并联骨折手术机器人的安全运动控制方法

骨折手术机器人是实现精准微创骨折复位的优势方案.现有骨折复位手术器械存在效率低、精度差、缺乏复位安全策略等问题,难以保证安全高效的治疗.为解决上述问题,本文提出一种并联骨折手术机器人及基于全关节逆解算法的安全运动控制方法.首先,针对该并联机构开展全关节逆解分析.由骨折复位轨迹的离散轨迹点获取机器人末端的位姿,建立机器人机构的闭环矢量方程,以关节转角为未知量整理多元一次方程组,考虑关节间的运动约束通过两条运动链解析求解所有关节转角.其次,设计安全运动控制系统.上位机设置正常、预警及超限3种状态.在机器人运行过程中,由上位机读取复位轨迹离散点的位姿信息,通过全关节逆解模型计算出下一轨迹离散点对应的关节转角并判断运行状态,若超限则发送指令使机器人停止运动,并显示发生危险的关节位置.最后,开展安全运动仿真与实验研究.仿真表明全关节逆解模型可快速计算出全部关节的运动状态并准确进行安全判断.实验结果表明,骨折手术机器人运行过程中,控制系统可及时发现机器人临近危险状态并使机器人停止运动.本文提出的安全运动控制方法无需增设安全检测或保护装置,既保证了骨折手术机器人的轻质便携需求,又保证了安全高效精准的骨折复位治疗.

基于EtherCAT的6-UPS并联机器人控制系统设计

针对机器人控制系统领域代码复用率低、拓展性差的问题,以6-UPS并联机器人为研究对象,采用开源机器人控制系统ROS为基本框架,借助IGH EtherCAT主站实现ROS系统与机器人之间的通信,在Gazebo-ROS中建立机器人的仿真模型,通过QT-ROS开发相应的人机界面,根据机器人运动学模型编写运动学节点、轨迹规划节点,实现机器人的仿真与实际控制并对底层驱动系统进行实时同步性测试。实验结果表明:控制系统的实时性和稳定性误差均在μs数量级,满足机器人控制系统的需求;通过设置中间路径点,测试仿真机器人以及真实机器人的运动情况,轨迹误差保持在一个脉冲当量以内,具有较高的控制精度。所设计的机器人控制系统可以有效地实现机器人的控制。

并联式蠕虫机器人的结构设计与实现

为了在地震、台风等自然灾害中有效地实施救援,降低灾后伤亡率,设计了一种用于抗震救灾的并联式蠕虫机器人。该机器人采用并联式机构,通过电推杆的伸缩运动实现对蠕虫动作的模仿。运用SolidWorks建立该机器人的三维模型,并进行试验验证。结果表明:该机器人可顺利实现前进、后退及转弯等运动;通过搭载感应拓展模块即可应对错综复杂的工作环境,具有良好的灵活性和环境适应性;能够实现人-机-环境的交互,可达到预期目的,具备一定的实用价值。

基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化

由于冗余驱动的存在,冗余驱动并联机器人系统逆动力学模型存在无限组可跟踪期望轨迹的控制力矩解,这使得机器人在运行过程中具有完成附加任务的能力.以实现骨科机器人的安全精准操控为目的,提出了基于变阻抗控制的冗余驱动并联机器人多目标内力优化方法.首先,采用支链分解法对冗余驱动并联机器人的动力学进行建模.其次,为实现机器人的安全操作,设计了冗余驱动并联机器人时变阻抗控制器,利用李雅普诺夫理论分析了系统的稳定性;在此基础上,以消除冗余驱动并联机器人运动过程中的传动间隙为附加任务,提出了一种以力矩传递性能、驱动功率和控制力为优化目标的多目标融合驱动力优化方法.最后,通过仿真实验与对比分析,验证了所提方法的有效性,实现了机器人系统传动间隙的消除.