Impulse Controller Design of a Harmonic Drive System with Friction

A friction model was established for impulse control design in a precision control system. First, the physical characteristics of the impulse in momentum, such as motion and energy, were analyzed and formulated. Then, experimental response to a new pulse with two harmonic expansions was studied. The first harmonic is the main pulse to drive the arm, and the second harmonic has two functions： its first half helps the main pulse eliminate the dead zone, and its second half, a negative pulse, stops the arm motion quickly. Finally, an impulse feedback controller was developed. Comparison between simulation and experiments shows the effectiveness of the proposed controller.

谐波减速器动力学特性与建模研究进展

谐波减速器具有相对质量低、结构紧和价格低廉等优点,广泛应用于空间机械臂关节设计.然而,谐波减速器的运动误差、刚度和摩擦3种动力学特性阻碍了空间机械臂关节指向精度、运动稳定度等性能指标的提升.为改善空间机械臂关节性能,国内外学者针对谐波减速器的运动误差、刚度和摩擦3种动力学特性开展了试验研究和机理分析,并建立了数学模型.本文从试验、机理和建模3个角度出发,系统论述关于谐波减速器的运动误差、刚度和摩擦3种动力学特性的最新研究成果,总结分析谐波减速器动力学特性和建模研究所面临的挑战以及未来发展的方向.

EMA摩擦前馈补偿的模糊自抗扰控制方法研究

针对谐波减速器伺服传动系统中摩擦对位置跟踪精度的影响,提出非线性摩擦建模及前馈补偿的方法,并结合模糊自抗扰控制器提高系统的控制精度。首先,给出机电执行器中永磁同步电机的数学模型,构建了谐波减速器的动力学模型,推导了摩擦力矩和转矩电流的关系。通过小波+卡尔曼联合滤波的方式获取了不同转速下对应的转矩电流,采用3次高斯拟合的方式得到了转速与转矩电流的函数关系。然后,根据自抗扰控制与模糊控制原理制定模糊规则,设计了模糊自抗扰控制器;根据拟合的数学函数在模糊自抗扰控制器中加入前馈补偿,抑制谐波减速器中非线性摩擦,提高系统控制精度。最后,通过实验与PI控制方式进行比较,实验结果表明,使用摩擦前馈补偿的模糊自抗扰控制方法较PI控制方法,在空载状态、负载状态下位置跟踪误差的均方根值减少了约180、176。

工业机器人谐波减速器迟滞特性的神经网络建模

谐波减速器中柔性环节与传动的非线性摩擦,导致谐波传动出现了不可避免地影响传动精度的复杂迟滞特性,为了描述谐波减速器的迟滞特性,本文构建了一个结构简洁的神经网络迟滞混合模型。该模型由类迟滞特性预处理环节和动态RBF神经网络两部分组成:对输入信号进行类迟滞预处理,处理后的信号与输入信号之间具有类迟滞特性;充分利用动态RBF神经网络实现类迟滞到谐波减速器迟滞特性的高精度映射。根据本文搭建的实验平台,在不同实验条件下获得的数据进行建模验证,在不同频率输入信号、不同负载,实现相同建模精度下,神经网络迟滞混合模型的验证精度为0.449 6(MSE),远高于经典RBF神经网络模型的3.032 1(MSE)精度,证明了所构造的神经网络迟滞混合模型的有效性和适应性。

精密谐波传动系统的动态模型研究(英文)

提出了精密控制系统中谐波齿轮传动的新的数学模型,该模型综合研究了摩擦和传动挠性的影响。模型用函数描绘了谐波传动的特性,分析了谐波传动中电机一侧和载荷一侧的摩擦力,将复杂的非线性摩擦力表述为位置和速度的函数,摩擦力中的平均摩擦用二次函数表示,周期性变化的部分用傅里叶级数描述,试验数据和仿真结果的一致性证明了该模型的有效性。

轻载机器人动力学参数辨识中的关节摩擦力辨识

在轻载机器人低速应用场合,利用库仑-黏性摩擦力模型进行关节力矩计算时,机器人关节摩擦力有明显的周期性纹波误差。针对这一问题,提出一种改进的库仑-黏性摩擦力模型,包括由库仑-黏性摩擦力模型表示的稳态摩擦力,以及与位置和速度相关的位置依赖项。对模型进行分步辨识,利用库仑-黏性摩擦力模型的特性,对稳态摩擦力参数进行辨识,通过K-means聚类算法、支持向量回归(SVR)以及最小二乘法求解超定方程组,进一步对模型中的位置依赖项进行辨识,实验结果验证了该模型以及辨识方法的有效性。

考虑摩擦的谐波驱动机器人低速运动控制方法

针对摩擦引起谐波驱动机器人低速运动时速度不平稳、控制精度差的问题,提出一种考虑关节摩擦影响的期望补偿鲁棒控制算法。通过对摩擦数据的频域分析,提出采用Stribeck模型+正余弦函数的形式来描述谐波驱动关节的摩擦特性。在此基础上,设计期望补偿鲁棒控制算法以处理关节摩擦和模型不确定性的影响。该算法采用前馈的方式补偿关节摩擦的影响,且前馈补偿项可采用期望轨迹数据离线计算得到,从而避免引入测量噪声,提高了实时性。根据系统中不确定性的界,设计了鲁棒控制项以保证系统的鲁棒性。采用Lyapunov理论证明闭环系统为全局一致最终有界稳定。实验结果表明,采用提出的摩擦模型与控制算法能够实现平稳的低速正弦跟踪,关节空间的平均跟踪误差在0.005°以内。

谐波驱动伺服系统的改进自适应鲁棒控制

针对谐波驱动伺服系统存在参数不确定性、干扰及非线性摩擦的问题,考虑位置相关摩擦的特性,提出改进自适应鲁棒控制算法.采用未知参数的正余弦函数组合的形式表征位置相关摩擦的特性,采用库仑-黏性摩擦表征速度相关摩擦力的特性.在期望补偿自适应鲁棒控制算法的基础上,增加自适应律的比例项,提高参数辨识的性能,有效抑制系统高频干扰.理论证明了控制系统的全局稳定性.分别在考虑位置摩擦和未考虑位置摩擦的情况下,采用自适应鲁棒控制、期望补偿自适应鲁棒控制及改进自适应鲁棒控制算法对单自由度机械臂的谐波驱动伺服系统进行实验研究.结果表明,该方法具有良好的控制性能.

谐波摩擦传动柔轮结构参数对其应力影响分析

分析三波谐波摩擦传动柔轮结构参数对柔轮应力分布的影响。建立柔轮的有限元接触模型时,综合考虑谐波波发生器和刚轮对柔轮的影响,建立柔轮与刚轮及柔轮与钢球间的接触对。然后进行有限元接触分析,获得柔轮的应力分布情况及柔轮的最大等效应力。最后,根据柔轮应力分布,针对柔轮主要结构参数壁厚及长径比对柔轮的最大等效应力的影响及其对柔轮各应力突变截面的最大等效应力影响进行分析,获得如下结论:在柔轮直径等结构参数不变的情况下,随着壁厚的增加,柔轮的最大等效应力线性增加;随着柔轮长径比的增加,柔轮的最大等效应力非线性增加,当长径比大于0.8时,应力增加趋于稳定,大于1.0时,应力基本不变。

谐波减速式超声波电动机的设计与实验研究

提出并设计了一种低速输出的谐波减速式行波超声波电动机,分析了其工作原理,并利用样机研究了行波超声波电动机和组装后的谐波超声波电动机的频率速度特性,获得双面齿行波超声波电动机和谐波减速式超声波电动机的最大空载速度,且实验获得的传动比比设计的理论传动比大20%。实验结果表明该电机能够低速可靠的运行。

用于精确位置控制的谐波传动控制精度研究

建立精密谐波传动数学模型,分别研究线性控制器和脉冲控制器的精度,继而定量讨论摩擦力对脉冲控制器的精度影响。仿真和试验结果表明:谐波传动的摩擦力会严重降低脉冲控制器的性能;脉冲控制器的准确度高于线性控制器的准确度。该研究将有益于谐波传动在高精密控制系统中的应用。

谐波光面摩擦传动三波最小传动比的研究

用弹性理论推导出了谐波光面摩擦传动三波柔轮的特征曲线方程。根据强度理论,由曲线方程建立了谐波光面摩擦传动三波最小传动比公式,由此得到谐波光面摩擦传动三波最小传动比的设计准则——柔轮半径?柔轮壁厚与最小传动比的关系式。分析了影响最小传动比的诸多因素。

具有谐波减速器柔性关节摩擦力辨识及控制

为了减轻关节重量,提高关节输出力矩,在关节内部集成谐波减速器等部件。然而,谐波减速器的加入,不仅增加关节柔性,而且导致关节内部摩擦力复杂。针对具有谐波减速器的柔性关节,提出了摩擦力辨识方法,并且的得到关节摩擦力模型与Strbeck摩擦力模型相似的结论。搭建了柔性关节试验平台,利用辨识的摩擦力模型有效的补偿了关节内部摩擦力的影响,提高了关节的控制精度。

谐波齿轮传动扭转刚度的实验研究

通过逐次加载扭矩的方法测试谐波齿轮传动装置扭转刚度,所获得的扭转刚度曲线揭示出了摩擦效应对其正反加、卸载测量值准确性的影响。对研究谐波齿轮传动刚度具有指导意义。

精密谐波传动的数学模型及其控制研究

研究了精密位置控制传动系统中谐波齿轮的一种动态模型,分析了谐波传动系统中各种摩擦力和谐波齿轮挠性传动的影响,导出了一种新的摩擦模型,研究了模型对脉冲信号的响应,提出了用一个由2次谐波组成的脉冲信号来驱动谐波齿轮传动,设计了一个新的可调脉冲反馈控制器,仿真和实验结果验证了数学模型的准确性和控制策略的有效性。

摩擦补偿下基于关节力矩的笛卡尔阻抗控制(英文)

为了研究基于关节力矩信息的笛卡尔阻抗控制策略及摩擦补偿的影响,利用关节本身具有的传感器,进行了辨识谐波驱动摩擦参数、摩擦补偿和笛卡尔阻抗控制的实验研究.与传统的基于机器人末端力/力矩信息的笛卡尔阻抗控制方案不同,考虑了5种基于关节力矩的笛卡尔阻抗控制方案,包括笛卡尔空间/关节空间基于力的、笛卡尔空间/关节空间基于位置的方案和刚度控制.其中,前4种方案分别在有/无摩擦补偿的条件下进行了相应的实验验证.实验比较结果表明:对于基于关节力矩信息来实现笛卡尔阻抗控制的机器人,基于力的阻抗控制策略比基于位置的策略更适合,并且摩擦对这类笛卡尔阻抗控制的稳定性有积极影响.

谐波摩擦传动单级最小传动比研究

基于滚轮式波发生器的双波传动模型,分析谐波摩擦传动中柔轮的受力情况,由柔轮疲劳强度校核公式,推导出谐波摩擦传动单级最小传动比的公式,并分析影响单级最小传动比的诸多因素。

谐波齿轮传动系统中动力学模型的研究进展

为了提高航天器、机器人等含谐波齿轮传动装置的复杂机械设备的工作精度和运行可靠性,对机械设备中谐波齿轮传动环节的精确建模已成为当前研究的重点。谐波齿轮传动属于柔性传动,其内部存在复杂的非线性动力学行为,而这些动力学行为严重地影响谐波齿轮传动系统在工作中的传动性能。对谐波齿轮传动系统的动力学行为及其建模方法进行了综述:介绍了谐波齿轮传动系统中运动学误差、摩擦和柔性的主要来源、基本性质及其对传动性能的影响规律;总结了描述上述行为常用的动力学模型(运动学误差模型、摩擦模型、非线性刚度模型和滞回刚度模型)的构成、特点及适用范围。指出滞回刚度模型和考虑系统柔性的运动学误差模型是目前谐波齿轮传动系统动力学研究的重点和难点问题,并针对当前谐波齿轮传动系统的动力学建模方面存在的一些不足,提出了该领域需要进一步研究的若干问题。

双速度环在谐波传动中的应用分析

为降低谐波传动中柔性齿轮给系统造成的低刚度和非线性死区的问题,本文提出了一种基于双速度环的位置控制方法,以电机端的速度环作为内环,以负载端的速度环作为外环。从理论上分析了双速度环优于单速度环时,电机端速度环满足的条件。此外对单双速度环对系统的影响进行了仿真分析,结果表明双速度环对抑制系统中的非线性死区有很好的效果。最后实验结果也验证了双速度环对于克服系统中的非线性扰动,提高系统的鲁棒性和精度有着很好的作用。

谐波齿轮传动非线性动力学建模及仿真研究

由于结构的特殊性,迟滞刚度和动态摩擦属于谐波齿轮传动的固有属性。传统模型将刚度考虑为定刚度或分段刚度模型,摩擦考虑为静态摩擦模型,这样的简化会导致谐波齿轮传动的动态分析精度下降。为了提高谐波齿轮传动的动态分析精度和传动性能,考虑非线性迟滞刚度和动态摩擦现象,提出了一种基于记忆特性迟滞刚度和LuGre动态摩擦的谐波齿轮传动动力学模型,建立了相应仿真模型,讨论了谐波齿轮参数对系统输出的影响。结果表明,“刚度迟滞现象”导致系统输出值减小,传动效率降低;传动刚度系数越大,系统越稳定;阻尼转矩系数越大,传动效率越低。