Model-based reference trajectory generation for tip-based learning controller

The non-minimum phase characteristic of a flexible manipulator makes tracking control of its tip difficult The level of the tip tracking performance of a flexible manipulator is significantly affected by the characteristics of the tip reference trajectory as well as the characteristics of the flexible manipulator system This paper addresses the question of how to best specify a reference trajectory for the tip of a flexible mampulator to follow in order to achieve the objectives of reducing tip tracking error, residual tip vibration, and the required actuation effort at the manipulator joint A novel method of tip-based learning controller for the flexible manipulator system is proposed in the paper, where a model of the flexible manipulator system with a command shaping filter is used to generate a smooth and realizable tip reference trajectory for a tip-based learning controller     

Finite element based model predictive control for active vibration suppression of a one-link flexible manipulator

This paper presents a unique approach for active vibration control of a one-link flexible manipulator. The method combines a finite element model of the manipulator and an advanced model predictive controller to suppress vibration at its tip. This hybrid methodology improves significantly over the standard application of a predictive controller for vibration control. The finite element model used in place of standard modelling in the control algorithm provides a more accurate prediction of dynamic behavior, resulting in enhanced control. Closed loop control experiments were performed using the flexible manipulator, instrumented with strain gauges and piezoelectric actuators. In all instances, experimental and simulation results demonstrate that the finite element based predictive controller provides improved active vibration suppression in comparison with using a standard predictive control strategy.     

未知环境下柔性二连杆机械臂的自适应阻抗控制

针对机器人与环境接触作业的需求,基于假设模态法建立了刚柔耦合动力学模型,并考虑环境参数不精确干扰,设计了自适应阻抗控制器,分析了其稳定条件。在MATLAB/Simulink中搭建了可对柔性机械臂进行自适应阻抗控制的仿真平台,计算了平面内二连杆柔性机械臂在含有三角形凹陷环境表面的接触运动和柔性变形模态。对比分析了刚性和柔性机械臂位控和力控效果及自适应项对控制响应的影响。基于Staubli机器人展开了实验。结果表明：柔性变形会使得机械臂的位控和力控效果变差;自适应阻抗控制会改善控制响应,对环境不确定具有鲁棒性。设计的自适应阻抗控制可实现柔性机械臂在不规则表面的稳定接触和运动。     

柔性机械臂的位置主动控制

采用一次近似模型对柔性机械臂的运动跟踪主动控制问题进行研究,控制策略采用最优跟踪控制方法。仿真结果显示,一次近似模型能够较好地对柔性机械臂的动力学行为进行描述,最优跟踪控制方法能使机械臂到达期望的指定位置,并可使机械臂的残余振动得到抑制。     

一种柔性冗余度机器人振动抑制的复模态法

研究了柔性机器人末端振动的抑制控制问题,方法是将机器人动力学方程进行分解,再将分解得到的柔性振动动力学方程写成状态空间的形式,根据复模态分析的原理对其进行分析,利用柔性冗余度机器人具有的自运动优化能力,提出了一种自运动优化选择的复模态法,该方法通过自运动的优化选择在复模态空间中零化低阶模态的激励力,以实现对机器人末端振动的抑制。针对一个末杆为柔性杆的3维4自由度机器人进行了控制仿真,仿真同时对比使用了其它2种同类方法,仿真结果验证了本方法的有效性,并显示复模态法取得了比其同类方法好很多的末端振动抑制效果。     

轻型操作臂结合部弹性约束动力学特性及实验研究

对结合部弹性约束下轻型操作臂系统的动力学特性进行了研究。首先,基于结合部的线约束刚度,建立了轻型操作臂的弹性约束模型,得到系统的频率特性方程;其次,基于建立的弹性约束模型,采用哈密顿变分原理推导了系统的振动位移方程;最后,采用理论仿真和实验方法对轻型操作臂弹性约束系统的动力学特性进行分析,探讨了结合部弹性约束对系统动态特性的影响机理。研究结果表明：所建弹性约束模型能够表征结合部的弹性约束作用,尤其对高阶模态的分析具有较高精度;在弹性约束区域内,频率与约束刚度之间具有幂函数关系特征,前两阶频率拟合误差分别小于0.08%和0.45%;振动位移分析误差为2.38%,通过实验验证了系统弹性约束模型和动力学分析结果的正确性。     

基于加速度反馈的柔性关节机械臂接触力控制

针对柔性关节机械臂从自由空间运动控制过渡到约束空间力控制的过程中,存在冲击、震荡甚至不稳定等问题,利用加速度传感器反馈控制,为柔性关节机械臂的接触力控制在较宽的带宽内提供阻尼,克服了利用单纯速度反馈控制带宽窄的局限。对柔性关节机械臂的接触力控制进行建模和基于加速度反馈的控制策略分析,并在柔性关节机械臂上进行了接触力控制的试验研究。结果表明,这种方法有效。     

柔性宏刚性微空间机器人末端连续轨迹跟踪控制研究

对一类柔性宏刚性微结构的空间机器人系统进行了运动学和动力学建模,介绍了采用微机械臂快速精确运动来补偿宏机械臂由于弹性形变和振动产生的末端误差的设计方案,并对此进行了简化。在此基础上设计了两种控制方案。一种是对宏机械臂和微机械臂都采用PD(比例微分)反馈控制,另一种是宏机械臂采用PD控制而微机械臂采用滑模变结构控制。最后进行了仿真试验,比较了两种控制方案的不同控制效果,并得出补偿算法是有效的,且滑模变结构控制在该试验中优于PD控制的结论。     

自行火炮弹丸传输机械臂的动力学建模与位置控制

研究了车体振动影响下某自行火炮的弹药传输机械臂的动力学与位置控制。采用第二类拉格朗日法建立了弹药传输机械臂的动力学方程,并将方程中的车体振动项提取出来看作不确定外部扰动力。在此基础上,基于一种隐式Lyapunov函数设计了系统的位置控制器（控制器的增益是系统状态变量的可微函数）。基于牛顿迭代法与龙格库塔法求解了系统的动力学方程。结果显示,所设计的控制器有效抑制了车体振动的影响,实现了弹丸传输机械臂位置的精确控制。     

液压柔性机械臂奇异摄动法控制

将液压柔性机械臂系统分为相互耦合的两个部分，即柔性机械臂和液压伺服驱动系统，并通过一个驱动Jacobian矩阵构建其耦合关系。将作用于机械臂上的力视为一虚拟输入，运用奇异摄动法将柔性机械臂的模型分解为快慢两个子系统，其中慢变子系统控制器完成对期望轨迹的跟踪，而快变子系统控制器抑制柔性臂的振动。在此基础上，采用反演控制设计方法，得到液压伺服阀的位移控制律，使液压油缸的实际输出力完全满足柔性臂所需要的驱动力。数字仿真的结果验证了设计控制器的正确性和有效性。     

漂浮基柔性两杆空间机械臂基于状态观测器的鲁棒控制及振动控制

讨论了漂浮基柔性空间机械臂基于状态观测器的鲁棒控制及振动最优控制问题。首先通过合理选择联体坐标系,实现两柔性杆弹性变形之间的解耦;根据拉格朗日方程与动量守恒原理,建立了载体位置无控、姿态受控飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程。接着利用奇异摄动法,将这个柔性两杆空间机械臂系统分解为一个慢变子系统与一个快变子系统。以此为基础,提出了一个包含慢变控制项与快变控制项的复合控制器。利用动态滑模观测器得到慢变子系统的观测速度矢量,基于这个观测速度矢量设计系统的鲁棒慢变控制律来实现载体姿态、关节轨迹的跟踪。利用线性观测器得到快变子系统的观测速度矢量,基于这个观测速度矢量与线性系统的最优控制理论设计系统的快变控制力矩,实现两柔性杆振动的抑制。最后通过系统的数值仿真,证实了方法的有效性。     

柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制

针对载体位置不受控、姿态受控的情况,提出了柔性空间机械臂振动抑制的模糊终端滑模控制方案。利用假设模态法、系统动量守恒关系及拉格朗日方法,导出了柔性空间机械臂的系统动力学方程。为解决柔性空间机械臂轨迹跟踪控制及振动抑制问题,运用奇异摄动法将系统分解为慢变、快变两个子系统并分别设计了控制器。慢变子系统采用具有较强鲁棒性的模糊终端滑模控制方案,快变子系统则采用基于降阶状态观测器的线性二次型最优控制器(linear quadratic regulator,简称LQR)。数值模拟结果表明,本文的控制方案不仅保证了柔性空间机械臂载体姿态及机械臂各关节铰跟踪误差在有限时间内的收敛性,而且还大大地降低了滑模控制所固有的抖振,并对柔性臂的振动具有良好的抑制效果。     

基于奇异摄动的柔性机械手预测控制

讨论了柔性机械手末端位置的控制问题。采用奇异摄动方法将柔性机械臂系统动力学方程分解为慢变(刚性 )和快变 (弹性 )两个子系统。给出了一种预测控制与 I/ O反馈线性化相结合的混合控制方法。该方法采用预测控制消除柔性机械手的弹性振动 ,可避免逆动力学和 I/ O反馈线性化控制遇到的零动力学不稳定问题。通过一个柔性机械手的仿真表明 ,本文提出的控制方法可实现柔性机械手末端轨迹的准确跟踪 ,同时能消除柔性机械手的弹性振动。     

具有外部扰动的参数未知漂浮基柔性空间机械臂的对角递归神经网络控制

讨论载体位置和姿态均不受控情况下,存在外部扰动的参数未知漂浮基柔性空间机械臂系统关节运动的动力学控制问题。由假设模态法,利用拉格朗日方法建立漂浮基柔性空间机械臂的系统动力学方程。以此为基础,针对存在外部扰动和系统参数未知的情况,利用对角递归神经网络逼近柔性空间机械臂系统的逆动力学模型,设计基于对角递归神经网络的控制方案,以控制柔性空间机械臂的关节铰跟踪在关节空间的期望运动轨迹,同时能抑制柔性杆的振动。该方案由于没有专门设计主动控制器抑制柔性振动,因此不需要测量、反馈柔性振动模态,大大简化控制器的结构;无需预知控制对象的精确模型和系统参数,且能克服外部扰动的影响。计算机数值仿真证实所提方案的有效性和可行性。     

Complete dynamic modeling and approximate state space equations of the flexible link manipulator

This work treats the problem of dynamic modeling and state space approximation for robotic manipulators with flexibility. Case studies are planar manipulators with a single flexible link together with clamped-free ends and tip mass conditions. In this paper, complete dynamic modeling of the flexible beam without premature linearization in the formulation of the dynamics equations is developed, whereby this model is capable of reproducing nonlinear dynamic effects, such as the beam stiffening due to the centrifugal and the Coriolis forces induced by rotation of the joints, giving it the capability to predict reliable dynamic behavior. On the other hand, in order to show the joint flexibility effects on the model dynamic behaviors, manipulator with structural and joint flexibility is considered. Thus, a reliable model for flexible beam is then presented. The model is founded on two basic assumptions: inextensibility of the neutral fiber and moderate rotations of the cross sections in order to account for the foreshortening of the beam due to bending. To achieve flexible manipulator control, the standard form of state space equations for a flexible manipulator system (flexible link and actuator) is very important. In this study, finite difference method for discretization of the dynamic equations is used and the state space equations of the flexible link with tip mass considering complete dynamic of the system are obtained. Simulation results indicated substantial improvements on dynamic behavior and it is shown that the joint flexibility has a considerable effect on the dynamic behavior of rotating flexible arm that should not be simply neglected. The effects of tip mass is proved to be increasing the elastic deformations?? amplitudes and increasing stability.     

基于PSO自整定PID控制器的柔性臂振动控制

针对压电柔性机械臂运行过程中的弹性振动问题,提出了基于粒子群优化算法（particle swarm optimization,简称PSO）自整定比例积分微分（proportional integral differential,简称PID）控制器参数的柔性臂振动抑制方法。采用标准粒子群优化算法,以时间乘绝对误差积（integrated time and absolute error,简称ITAE）准则为适应度函数,整定PID控制器的3个控制参数K-p,K-i和K-d,并采用Matlab Simulink平台建立双连压电柔性机械臂振动控制仿真模型,研制基于虚拟仪器技术的柔性臂振动控制试验系统。仿真与试验结果表明,采用常规PID控制算法和基于PSO自整定的PID控制算法均能有效地抑制柔性机械臂的弹性振动,但后者的振动抑制效果、鲁棒性与稳定性优于前者。     

柔性欠驱动机械臂动力学耦合分析

为建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学方程,采用Euler-Bernoulli梁模型并添加经迭代计算的边界条件,对柔性机械臂进行了动力学耦合与仿真分析。在对柔性机械臂进行模态分析的基础上,将柔性机械臂视为包含边界条件的悬臂梁和简支-自由梁模型,采用假设模态法建立柔性3R欠驱动机械臂的动力学模型。仿真结果证明：添加经迭代计算的边界条件的柔性梁模型能更好地反映自由关节的加速度耦合情况。最后对柔性欠驱动机械臂与刚性欠驱动机械臂进行关节耦合指标分析,结果表明柔性欠驱动机械臂的自由关节包含更复杂的耦合情况,对柔性机械臂弹性振动的控制是对柔性欠驱动机械臂控制的关键。     

欠驱动柔性机器人动力学建模及仿真

根据欠驱动机器人的结构特点，以柔性多体系统动力学理论为基础，采用便于实时控制的假设模态方法，建立了具有柔性杆件的欠驱动机器人的动力学模型。对动力学模型的求解进行了分析，讨论了被动关节处模态函数各种边界条件的确定。通过对二自由度欠驱动机器人被动关节的位置控制，实现对柔性杆的弹性变形及其变化的仿真分析，所得结果验证了假设模态方法动力学模型的有效性，反映了不同驱动器位置系统的振动特性和对系统振动控制的必要性。     

3-RRS柔性并联机器人的振动特性分析

基于有限元法、Lagrange方程和运动协调条件,建立了3-RRS柔性并联机器人的弹性动力学模型。分析了含有Rayleigh阻尼的3-RRS柔性并联机器人的振动特性。通过算例,揭示了系统阻尼固有频率与模态衰减系数的变化规律。研究3-RRS柔性并联机器人系统的振动特性可为此类机器人的机构优化设计、控制和工程应用提供指导。     

模糊自适应控制在柔性机器人操作臂中的应用

将拉格朗日和假设模态法相结合，建立了柔性机器人操作臂的动力学方程，并提出了一种模糊自适应控制策略。在柔性操作臂末端带有不同的载荷时，分两种情况进行了控制仿真实验；定位控制和轨迹跟踪控制。与PD控制仿真实验的结果相比较，模糊自适应控制器在轨迹跟踪和振动抑制方面反映出更好的稳定和鲁棒性能。