线驱动柔性机械臂的运动学分析

与传统的由连杆和关节构成的刚性机械臂不同,设计的柔性机械臂无任何刚性结构,外围驱动装置通过嵌在机械臂内部的拉线与柔性机械臂相联系,控制拉线长度的变化量即可调整柔性机械臂末端执行器的位置和姿态。柔性机械臂由弹性材料制作而成,拥有无穷多个自由度,在确保了高安全性、高灵活性的同时,随之也带来运动学和动力学建模复杂、控制难度大等问题。基于分段常曲率的假设,提出了一种运动学建模方法,通过建立3个空间,即驱动空间、虚拟关节空间、任务空间,以及两个映射,即驱动空间-虚拟关节空间映射、虚拟关节空间-任务空间映射,将拉线长度的变化量和柔性机械臂末端执行器的位置和姿态关联起来。仿真结果表明,提出的线驱动柔性机械臂的运动学模型,能较为真实地模拟柔性机械臂在拉线长度变化时的形态,计算末端执行器的位置和姿态。     

绳驱柔性机械臂建模与控制方法研究现状

绳驱柔性机械臂具有高形变、质量小、能耗低等优点,伴随机器人应用的发展,针对绳驱软柔性机械臂的精准建模与有效控制成为国内外学者的重点研究方向。本文综述了绳驱柔性机械臂建模与控制方法,从建模方法上分析其运动学、动力学及静力学建模,并分别从基于模型与无模型两方面对控制方法进行归纳总结。其中,基于模型的控制方法分为运动学与动力学建模两类,而无模型控制方法包括模糊控制、神经网络控制、自适应控制与滑模控制等。最后,对绳驱柔性机械臂建模与运动控制未来的研究方向进行展望。     

先进机器人中的动力学与控制专刊序

围绕柔性机械臂动力学建模方法、空间机器人捕获动力学、多智能体控制、仿生跳跃机器人设计与分析等研究主题,本专刊介绍了先进机器人动力学与控制领域的一些最新研究成果.     

柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模

柔性关节柔性连杆机械臂是典型的非线性、强耦合、欠驱动系统,其控制难度高.对于这类系统,选择合适的动力学模型进行控制器设计对于提高控制性能是非常有帮助的.为此,研究了具有柔性关节柔性连杆机械臂的动力学建模问题,并提出了一种改进的建模方法.在该方法中,连接柔性连杆的柔性关节首先被简化为刚性关节和柔性连杆的弹性约束边界.然后,根据结构动力学理论、哈密顿原理和假设模态法建立系统的刚柔耦合动力学方程.相较于将柔性关节简化为刚性关节和扭簧的传统处理方式,所采用的简化方式一方面可以降低系统的自由度,另一方面可以得到更适合控制器设计的动力学模型.最后,通过数值仿真验证了本文方法的有效性和优势.     

空间柔性机械臂的逆动力学仿真

本文针对空间柔性机械臂的非线性动力学模型，在最优控制理论的基础上，运用Ｇｉｌｌ法和打靶法相结合，得到大质量负载情况下柔性机构臂的最优驱动矩。以单性机械臂为例进行了动力学仿真，仿真效果好，结果证明方法正确可靠。     

平面双连杆受限柔性机器人臂的动力学建模*

对一类平面双连杆受限柔性机器人臂的动力学建模问题进行研究，利用Ｄ’Ａｌｅｍｂｅｒｔ－Ｌａｇｒａｎｇｅ原理得到了一组描述该机器人系统运动性态的动力学方程。与已有的动力学模型相比，本文所建立的运动方程和振动方程具有模型准确、结构简单等特点，且具有与传统无约束刚性机器人类似的模型形式，因而有可能直接或间接利用现有的关于刚性机器人运动控制等方面的成果来研究复杂的受限柔性机器人的控制问题。     

柔性机械臂动力学与控制建模的若干基本问题

本文论述了柔性机械臂系统动力学与控制建模中的几个基本问题:描述方法、浮动框架与基函数选取、模态分析、近似分析、逆运动学与逆动力学、数值计算上的困难、固有频率问题、实时性、控制和实验.以期引起深层次研究者们的关注.     

基于柔性关节机械臂振动的空间非合作目标质量辨识

针对空间在轨服务任务中捕获的非合作目标的质量辨识问题,提出了一种基于柔性关节机械臂振动频率的质量辨识方法.在该方法中,首先利用操作航天器上的柔性关节机械臂捕获空间非合作目标;然后对操作航天器、柔性关节机械臂与空间非合作目标形成的组合体进行动力学建模;最后通过分析柔性关节机械臂的振动频率来辨识空间非合作目标的质量.数值仿真结果证实了该方法的有效性.     

旋翼飞行机器人研究进展

旋翼飞行机器人是面向空中自主作业需求,将旋翼飞行器与多自由度机械臂相结合所提出的新型机器人.该机器人作业过程中旋翼飞行器、机械臂与作业目标之间的动态相对运动以及与作业目标接触过程中未建模外力、力矩扰动使自主控制受到极大挑战.本文将针对旋翼飞行机器人的结构演变及关键技术、作业机构集成技术进行综述.从动力学建模及动力学特性分析、动态运动约束/力约束下的协调规划、非结构环境下的运动和作业控制、面向任务动态操作的环境感知、面向任务的实验系统构建与实验验证五个方面初步构建了旋翼飞行机器人自主作业理论体系.     

两柔性机器人协调操作的动力学模型及其逆动力学分析

柔性机器人动力学是当前机器人研究的热点,而其协调操作问题目前仍为空白．本 文首次建立了柔性机器人协调操作刚性负载的动力学模型,利用有限元法和Lagrange方程, 在柔性机器人协调操作的运动学和动力学协调约束条件基础上,推导出系统的动力学方程, 提出了其逆动力学问题的解决方案,并成功给出了平面两3R柔性臂协调操作的数值算例．     

含执行器故障的切换非线性系统的事件触发自适应模糊容错控制

本文研究在平均驻留时间约束下,一类含有执行器故障的切换非线性系统输出反馈自适应模糊事件触发容错控制问题.首先,建立了一个模态依赖的状态观测器估计不可测量状态.利用模糊逻辑系统来逼近未知项.其次,构建自适应模糊容错事件触发控制方案能够节省网络资源和数据传输.然后,通过构造多Lyapunov函数和平均驻留时间法,证明闭环系统所有状态半全局一致最终有界的同时排除了Zeno现象.最后,通过数值仿真验证该方法的有效性.     

含执行器故障的切换非线性系统的事件触发自适应模糊容错控制

本文研究在平均驻留时间约束下,一类含有执行器故障的切换非线性系统输出反馈自适应模糊事件触发容错控制问题.首先,建立了一个模态依赖的状态观测器估计不可测量状态.利用模糊逻辑系统来逼近未知项.其次,构建自适应模糊容错事件触发控制方案能够节省网络资源和数据传输.然后,通过构造多Lyapunov函数和平均驻留时间法,证明闭环系统所有状态半全局一致最终有界的同时排除了Zeno现象.最后,通过数值仿真验证该方法的有效性.     

具有未建模动态的互联大系统事件触发自适应模糊控制

针对一类具有未建模动态及执行器故障的非严格反馈非线性互联大系统, 提出一种基于事件触发机制的模糊分散自适应输出反馈控制算法. 首先, 通过设计模糊状态观测器估计系统中不可测的状态, 并引入李雅普诺夫函数约束未建模动态. 然后, 提出一种基于事件触发机制的自适应容错控制器补偿多个执行器故障产生的影响. 最后, 利用障碍李雅普诺夫函数实现对系统输出的约束, 并证明闭环系统中所有信号均是半全局一致最终有界的, 且设计的事件触发机制可以避免Zeno行为. 数值仿真结果验证所提出设计方案的可行性及有效性.     

基于事件触发的网络化T-S模糊系统容错控制

研究了基于事件触发的网络化T-S模糊系统容错控制问题．首先针对一类具有随机执行器故障的网络化T-S模糊系统,提出一种有效减少数据传输量的事件触发机制．然后在综合考虑事件触发机制和控制器与T-S系统前件变量的异步的情况下,建立一种能同时描述事件传送策略、执行器失效、网络诱导时延和异步前件变量的新颖模型．利用李亚普诺夫泛函方法,得到保守性较小的闭环T-S系统均方渐近稳定条件和相应的容错控制器设计方法．实例表明了本文所得结果的有效性．     

Observer-based adaptive fuzzy fault-tolerant output feedback control of uncertain nonlinear systems with actuator faults

This paper develops an adaptive fuzzy control method for accommodating actuator faults in a class of unknown nonlinear systems with unmeasured states. The considered faults are modeled as lock-in-place (stuck at unknown place). With the help of fuzzy logic systems to approximate the unknown nonlinear functions, and K-filters are designed to estimate the unmeasured states. Combining the backstepping technique with the nonlinear fault-tolerant control theory, a novel adaptive fuzzy faults-tolerant control (FTC) approach is constructed. It is proved that the proposed control approach can guarantee that all the signals of the resulting closed-loop system are bounded and the tracking error between the system output and the reference signal converges to a small neighborhood of zero by appropriate choice of the design parameters. Simulation results are provided to show the effectiveness of the control approach.     

Output feedback fault-tolerant control for a class of discrete-time fuzzy bilinear systems

This paper studies the fault-tolerant control problem for a class of discrete-time fuzzy bilinear systems with unmeasurable states. A fuzzy detective observer is designed to detect the faults. Based on the fuzzy detective observer, a fuzzy controller is designed by solving a set of linear matrix inequalities (LMIs) to ensure that the closed-loop system without faults is asymptotically stable. For the discrete-time fuzzy bilinear system with faults, a fuzzy adaptive diagnostic observer is designed to estimate the faults by solving a set of LMIs. Then, a fuzzy faulttolerant controller is designed based on the fuzzy diagnostic observer to ensure that the closed-loop system with faults is asymptotically stable. At last, simulation results are presented to verify the effectiveness of the proposed output feedback fault-tolerant control method.     

Adaptive fuzzy decentralised fault-tolerant control for nonlinear large-scale systems with actuator failures and unmodelled dynamics

This paper discusses the adaptive fuzzy decentralised fault-tolerant control (FTC) problem for a class of nonlinear large-scale systems in strict-feedback form. The systems under study contain the unknown nonlinearities, unmodelled dynamics, actuator faults and without the direct measurements of state variables. With the help of fuzzy logic systems identifying the unknown functions and a fuzzy adaptive observer is designed to estimate the unmeasured states. By using the backstepping design technique and the dynamic surface control approach and combining with the changing supply function technique, a fuzzy adaptive FTC scheme is developed. The main features of the proposed control approach are that it can guarantee the closed-loop system to be input–to-state practically stable, and also has the robustness to the unmodelled dynamics. Moreover, it can overcome the so-called problem of ‘explosion of complexity’ existing in the previous literature. Finally, simulation studies are provided to illustrate the effectiveness of the proposed approach.     

Event-triggered adaptive fuzzy control for nonstrict-feedback nonlinear systems with output hysteresis

This paper concentrates upon the issue of adaptive fuzzy tracing control for a class of nonstrict-feedback nonlinear systems output with hysteresis via an event-triggered strategy. To handle the difficulty caused by the nonstrict nonlinear systems, the variable separation technique is introduced. The design difficulty of output hysteresis is addressed by employing a hysteresis inverse function and Nussbaum function to compensate unmeasurable state signal. Meanwhile, the fuzzy logic system (FLS) is used to estimate the unknown function at each step of recursion. Moreover, by devising the relative threshold event-triggered mechanism (ETM), the frequency of actuators and controllers can be largely decreased. Thus, the adaptive fuzzy event-triggered tracing control strategy is proposed by combining the barrier Lyapunov function and backstepping technique. With the proposed scheme, it is theoretically demonstrated that all signals in the closed-loop system are bounded, and the tracing errors are driven to a small neighborhood of the origin under the output constraint. Eventually, two examples demonstrate the efficacy of the proposed control strategy.     

基于事件触发的离散 MIMO 系统自适应评判容错控制

本文针对具有执行器故障的一类离散非线性多输入多输出(Multi-input multi-output, MIMO)系统, 提出了一种基于事件触发的自适应评判容错控制方案. 该控制方案包括评价和执行网络. 在评价网络里, 为了缓解现有的非光滑二值效用函数可能引起的执行网络跳变问题, 利用高斯函数构建了一个光滑的效用函数, 并采用评价网络近似最优性能指标函数. 在执行网络里, 通过变量替换将系统状态的将来信息转化成关于系统当前状态的函数, 并结合事件触发机制设计了最优跟踪控制器. 该控制器引入了动态补偿项, 不仅能够抑制执行器故障对系统性能的影响, 而且能够改善系统的控制性能. 稳定性分析表明所有信号最终一致有界且跟踪误差收敛于原点的有界小邻域内. 数值系统和实际系统的仿真结果验证了该方案的有效性.     

Adaptive fuzzy output-feedback fault-tolerant tracking control of a class of uncertain nonlinear switched systems

ABSTRACT

This paper considers the output-feedback fault-tolerant tracking control problem for a class of uncertain nonlinear switched systems with nonlinear faults and strict-feedback form, where the faults which are nonaffine occur on the actuator. As a kind of specialised function approximating tool, fuzzy logic systems (FLSs), are employed to approximate the unknown smooth nonlinear functions. A switched fuzzy observer is designed to address the problem of unmeasurable states, filtered signals are used to address algebraic loop problem and the average dwell time (ADT) method is further utilised to prove the stability of the resulting closed-loop systems under a type of slowly switching signals. Based on the backstepping recursive design technique and Lyapunov function method, an adaptive fuzzy output-feedback control scheme is developed. The developed control method can ensure all the signals are semi-globally uniformly ultimately bounded (SGUUB) and the system output tracks the reference signal tightly even if unknown fault occurs. A simulation carried on an example demonstrates the validity of the obtained control scheme.