自由漂浮空间机械臂非完整运动规划的粒子群优化算法

带空间机械臂航天器系统在无外力矩作用时,系统相对于总质心的动量矩守恒而变为非完整系统,由于非完整约束的不可积性,非完整系统的运动规划与控制比一般系统要困难得多.针对这一问题,利用非完整特性研究自由漂浮空间机械臂的三维姿态运动规划问题,导出带空间机械臂的航天器三维姿态运动数学模型,并将系统的控制问题转化为无漂移系统的非完整运动规划问题.在运动规划中,引入Fourier基函数构成系统控制输入,对基函数的系数向量优化,提出一种应用粒子群优化的最优运动规划数值算法.数值仿真表明该方法对空间机械臂及航天器三维姿态运动的非完整运动规划是有效的.     

非完整单足跳跃机器人姿态运动控制的样条逼近方法

讨论非完整单足跳跃机器人姿态运动规划的最优控制问题。在机器人无外力矩作用时,其系统相对于总质心的角动量守恒而成为一类典型的非完整系统。由于非完整约束的不可积特性,对该类系统的运动控制问题比一般系统要困难得多。为解决这一问题,首先导出机器人姿态运动方程,根据系统的非完整约束特性,在系统角动量为零的情况下,将非完整机器人的姿态运动规划问题转化为最优控制问题,利用样条逼近方法和粒子群优化算法实现机器人姿态运动的最优控制。该方法的主要特点是所得到的控制输入的初值和终值均为零,解决了以往文献中控制输入的初值和终值不为零的问题,便于利用伺服电机实现机器人运动的控制。文末数值仿真表明了该方法的有效性。     

跳跃机器人非完整运动规划的数值算法研究

讨论了一种带有非完整约束特性的跳跃机器人姿态运动的最优控制问题.当跳跃机器人系统无外力矩作用时,其相对于总质心的角动量守恒而成为非完整系统.这类系统运动规划的控制问题,由于非完整约束的不可积特性而比一般系统要复杂得多.针对这一问题,首先建立跳跃机器人运动的动力学模型,利用系统的非完整约束特性,将系统姿态运动的控制问题转化为非完整运动规划问题,并将遗传算法应用于系统非完整运动规划的最优控制中,设计了相应的数值算法.文末给出了算例仿真,仿真结果表明了该方法的有效性.     

基于量子粒子群优化算法的空间机器人非完整笛卡尔路径规划

利用自由漂浮空间机器人系统的非完整冗余特性,提出一种可使基座姿态和机械臂末端位姿同时到达期望状态的路径规划方法.该方法首先通过正弦多项式函数对机械臂关节角轨迹进行参数化,并根据基座姿态和机械臂末端位姿控制精度指标设计目标函数,由此,将自由漂浮空间机器人系统的非完整笛卡尔路径规划问题转换为非线性系统的优化问题.采用量子粒子群优化算法对非线性优化问题进行求解,将求解出的参数代入机械臂关节轨迹函数,即实现了非完整路径规划的目标.建立由飞行基座和6-DOF机械臂组成的空间机器人系统动力学模型,对所提出的方法进行仿真验证.试验结果表明,所提出的方法能够收敛于全局最优值,收敛速度快,所需调整参数少,且规划的关节路径满足关节角、角速度及角加速度的范围,关节路径平滑,适合于机械臂的控制.     

基于滤波器的漂浮基空间机器人协调运动的滑模控制

本文讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,空间机器人姿态、关节协调运动的滑模控制问题。首先,由系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方法,建立了漂浮基空间机器人的系统动力学方程。以此为基础,在滑模控制器输出端加入低通滤波器,设计了漂浮基空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的控制方案。此控制方案可有效地滤除滑模控制器输出的高频振动信号,减少了空间机器人在运动过程中引起的振动。最后,数值仿真的结果,证实了该控制方案的有效性。     

基于非完整约束原理的欠驱动机械臂机构的设计

依据现有的非完整约束理论、机器人机构学与控制理论,采用摩擦圆盘运动分解合成机构,提出了一种可在三维空间内运动的非完整机械臂机构,并研究其运动规律.这种三维非完整机械臂机构,既表现出运动约束的不可积性(即非完整性),还表现出运动的非线性和可控性.这类机械臂由于驱动单元数较少,从而降低了机械臂的重量和成本,这种机构对于探索三维复杂非完整机械系统具有重要的科学意义.     

漂浮基姿态受控空间机器人关节运动的自适应模糊滑模控制

重点研究了载体位置无控、姿态受控情况下,空间机器人姿态、关节协调运动的自适应模糊滑模控制问题。由拉格朗丑第二类方法及系统动量守恒关系,建立了漂浮基空间机器人的系统动力学方程。以此为基础,针对空间机器人所有惯性参数均未知的情况,设计了空间机器人载体姿态与机械臂各关节协调运动的自适应模糊滑模控制方案。数值仿真的结果,证实了该控制方案的有效性。     

漂浮基双臂空间机器人系统协调运动的模糊小波神经网络控制

讨论了本体姿态受控、位置不受控的情况下,漂浮基双臂空间机器人系统协调运动的动力学控制问题。依据系统动量守恒关系和拉格朗日第二类方程,推导了漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程。在系统参数未知的情况下,提出了一种小波基模糊神经网络控制器,以使双臂空间机器人系统的本体姿态和机械臂关节铰协调地跟踪各自在关节空间的期望运动轨迹。提出控制器的优点在于：不仅不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系,而且也不需要知道系统参数;由于采用反向传播算法对网络参数进行在线训练,从而使模糊神经网络具有较好的自学习和自适应能力,这样就不需要事先进行离线训练,更适应于空间机器人系统的实际应用。利用一个双臂空间机器人系统的仿真结果,验证了所提出控制器的有效性。     

无速度反馈的双臂空间机器人模糊滑模控制

针对存在不确定性且无速度反馈的自由漂浮双臂空间机器人关节轨迹跟踪控制问题,提出了一种基于状态观测器的模糊滑模控制方法.根据双臂空间机器人完全驱动动力学方程以及运动学方程,建立自由漂浮状态下系统的关节空间动力学方程.利用模糊系统的万能逼近特性对系统不确定部分进行逼近,并设计状态观测器在线估计系统关节运动的角速度信息.以关节角度和观测器获得的关节角速度作为系统状态反馈,在传统滑模控制方法基础上,进一步考虑系统惯性参数未知导致的建模误差,设计模糊滑模控制器,实现了双臂空间机器人系统关节角度的轨迹跟踪控制.数值仿真验证了所提控制方法的有效性.     

具有外部扰动双臂空间机器人的神经网络在线自学习补偿控制

探讨了在未知外部扰动影响下,漂浮基双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端爪手协调运动的补偿控制问题。利用系统动量守恒关系对漂浮基双臂空间机器人的运动学、动力学进行分析,导出了系统的工作空间动力学方程。以此为基础,针对系统存在未知外部扰动的复杂情况,设计了漂浮基双臂空间机器人协调运动的神经网络在线自学习补偿控制方案。该控制方案可以有效地避免对载体位置相关量进行实时测量与反馈,并由于神经网络良好的在线自学习补偿作用,有效地补偿了外部扰动对控制精度的影响,大大提高了整个系统的鲁棒性及自适应能力。仿真运算验证了控制方法的可行性。     

Trajectory planning of mobile robots using indirect solution of optimal control method in generalized point-to-point task

This paper presents an optimal control strategy for optimal trajectory planning of mobile robots by considering nonlinear dynamic model and nonholonomic constraints of the system. The nonholonomic constraints of the system are introduced by a nonintegrable set of differential equations which represent kinematic restriction on the motion. The Lagrange’s principle is employed to derive the nonlinear equations of the system. Then, the optimal path planning of the mobile robot is formulated as an optimal control problem. To set up the problem, the nonlinear equations of the system are assumed as constraints, and a minimum energy objective function is defined. To solve the problem, an indirect solution of the optimal control method is employed, and conditions of the optimality derived as a set of coupled nonlinear differential equations. The optimality equations are solved numerically, and various simulations are performed for a nonholonomic mobile robot to illustrate effectiveness of the proposed method.     

一类非完整机械手的链式变换特性及其运动规划方法

针对一类非完整三关节机械手提出了规避链式逆变换奇异位形的运动规划方法。根据非完整机械手的结构特点分离出广义坐标向量中的自由变量,将其边界值作为控制输入中的待定系数进行求解。对于非完整机械手在链式逆变换过程中出现的奇异性问题,提出令链式空间中一条轨迹向关节空间映射有解的不等式约束条件,利用增加附加位形约束的方法来规避非完整机械手的链式逆变换奇异位形。仿真与实验结果证明了运动规划算法的可行性与有效性。     

障碍环境下移动操作机零件移动规划方法研究

将移动操作机应用于装配领域，研究了运动冗余且受非完整约柬的移动操作机系统在障碍环境下完成零件移动任务的运动规划问题。将整个任务划分成移动、夹取和转移3个子任务。将随机道路图法应用于移动操作机的协同避障规划，首先求出了移动平台的一条满足非完整约束的简单路径；然后以此路径作为操作臂位置约束，在操作臂的位形空间内随机采样构造了道路图；最后通过图的搜索获得一条移动操作机的无碰路径。以平面移动操作机为例，通过计算机仿真实现了2维工作空间的零件移动操作，表明了该方法的有效性。     

双臂弹性单腿机器人的垂直跳跃控制

提出一种新型弹性单腿跳跃机器人系统,该机器人由两个驱动臂和一个弹性被动伸缩腿组成,系统只能依靠内部动力学耦合实现动态站立平衡、起跳、稳定连续跳跃运动.给出系统机构模型,分析该系统的变约束特征.该机器人系统在支撑相是二阶非完整约束系统,在飞行相是一阶非完整约束系统.针对这种欠驱动非完整约束动力学系统,采用时变非线性输入变换,提出一种实现垂直方向连续跳跃的运动控制算法.以控制腿部的姿态和振动规律、系统动量为目标实现机器人的全状态稳定控制.通过计算仿真模拟,验证提出的运动控制方案是可行的.该研究以探索弹性欠驱动机械系统振动能量循环利用技术为目标,研究结果对设计新型弹性欠驱动机械系统以及探索它在航天领域的应用具有一定参考价值.     

Comparative study of tracking control for a mobile manipulator: Nonholonomic and dynamic cases

This paper gives an in-depth treatment of the modeling and control of a mobile manipulator which consists of a robotic manipulator mounted upon a mobile robot. By neglecting slip of the platform's tires, nonholonomic constraints are introduced into the equations of motion. By considering wheel slip, the assumption of nonholonomic motion is violated. Nonholonomic and dynamic models of a mobile manipulator are developed and compared using the Lagrange-d'Alembert formulation and the Newton-Euler method, respectively. The dynamic model which considers wheel slip incorporates a nonlinear tire friction model. The tracking problem is investigated by using imput-output linearization for the nonholonomic model. For the dynamic model, a robust control method based on a matching condition is developed to eliminate the harmful effects of wheel slip, which acts as a disturbance to the system. Then, the effect of wheel slip on the tracking of commanded motion is identified via simulation. The effectiveness of the proposed control algorithm is demonstrated through computer simulation.     

基于哈密顿方程的非完整约束控制系统分析及应用

针对航天器多体系统受非完整约束作用时,其动力学方程是强非线性微分方程组而难以求解析解、系统的稳定性及其控制难以进行分析的问题,提出通过带非完整约束的哈密顿控制系统对航天器多体系统的姿态稳定及控制进行分析的方法。采用该方法可以避免求解非线性方程组的边值问题。建立了一种简洁的航天器多体系统姿态稳定性控制方法,而且该方法使得系统的运动控制更加易于从物理意义上进行解释,即使得系统的稳定控制可以理解为系统和控制器之间的能量平衡。通过算例进行了验证和说明。     

无根欠驱动冗余机器人动力耦合特性研究

无根多刚体系统和欠驱动冗余机器人系统实质上都属二阶非完整动力系统,其位姿空间约束方程不能满足控制要求,一般基于动力学方程对系统进行控制,即通过关节间动力耦合作用约束被动关节运动,因此此类机器人可控性分析的重点在于系统耦合运动特性研究。基于动力学虚设机构法及非完整系统微分变分原理,建立了无根欠驱动冗余机器人的动力学模型;针对虚设关节、主、被动关节进行动力学模型解耦,推导出了系统的二阶非完整约束方程及被动关节的加速度表达式;在此基础上,通过定义表征被动关节耦合运动的性能指标,针对不同位置主动关节输入参数对被动关节可控性的影响进行了仿真分析,得到了提高无根欠驱动冗余机器人可控性的有益结论,为实际欠驱动冗余机器人输入控制提供了参考。     

Optimal Motion Planning for Differentially Flat Underactuated Mechanical Systems

Underactuated mechanical system has less independent inputs than the degrees of freedom(DOF) of the mechanism. The energy efficiency of this class of mechanical systems is an essential problem in practice. On the basis of the sufficient and necessary condition that concludes a single input nonlinear system is differentially flat, it is shown that the flat output of the single input tmderactuated mechanical system can be obtained by finding a smooth output function such that the relative degree of the system equals to the dimension of the state space. If the fiat output of the underactuated system can be solved explicitly, and by constructing a smooth curve with satisfying given boundary conditions in flat output space, an energy efficiency optimization method is proposed for the motion planning of the differentially fiat underactuated mechanical systems. The inertia wheel pendulum is used to verify the proposed optimization method, and some numerical simulations show that the presented optimal motion planning method can efficaciously reduce the energy cost for given control tasks.     

Automated kinematic feasibility evaluation and analysis of mechanical systems

Kinematic analysis, as a first step in design of a mechanical system, should consider feasibility of the design and any pathological properties of the kinematic model selected. Automated numerical methods are presented in this paper to assemble the mechanism in a feasible configuration, if one exists, and to identify and eliminate any redundant constraints that may have been defined. An efficient and reliable numerical method is developed to detect singularities in a kinematic system and to solve the system if solutions exist beyond the singular point. The method developed is shown to be effective for kinematic analysis of systems with both holonomic and nonholonomic constraints. Two examples are discussed to demonstrate the solution method for kinematically driven mechanical systems.