Modeling and controlling of a flexible hydraulic manipulator

1INTRODUCTION Themodelingofaflexiblemanipulatordrivenbyhydrauliccylinderactuatoranditscontrollingarecomplex.Firstly,thecouplingeffectsonrigidbodymotion,beamflexuralvibration,andhydrau licactuatordynamicsarestrong.Secondly,inad ditiontouncertaintiesoftheflexiblearm,therearelargevariationsinthehydraulicsystemparame ters[13].Sofar,themode basedrobustcontrolofahydraulicallydrivenmanipulatorhasnotbeenwellstudiedandfewresultsareavailable.InRefs.[46],thedevelopmentandverificationofageneralstate…     

机械臂协调操作柔性负载鲁棒神经网络控制

针对多变量刚柔耦合的双机械臂协调操作柔性负载系统,基于奇异摄动理论研究该系统有限元模型的分解以及轨迹跟踪控制问题.考虑动力学模型的复杂性,通过双时标变换将协调系统分解成表征系统大范围刚性运动的慢变子系统和表征系统弹性振动的快变子系统.基于反演思想在慢变子系统中设计鲁棒神经网络控制策略,实现系统轨迹跟踪性能;针对快变子系统,设计鲁棒最优控制策略抑制系统的弹性振动.仿真研究结果表明,该控制策略增强了系统的跟踪性能和鲁棒性.     

机器人柔性臂的扭转振动主动控制研究

针对具有两连杆结构的空间机器人，设计了一种压电驱动器来抑制空间机器人柔性臂的扭转振动。采用拉格朗日方程和假设模态法对此机器人系统进行了理论建模，并建立了考虑随机干扰的状态空间表达式，基于随机最优控制理论设计了线性二次型高斯（LQG）状态反馈控制器。仿真结果表明，该主动控制策略能够有效衰减机器人柔性臂的扭转振动，从而提高了末端执行器的定位精度。     

复合驱动双指柔性机械手的设计与控制

为了满足工业领域中形状多变、物性多样、尺寸不一的复杂目标件抓取需求,模仿人手指关节并依据双指贴合抓取原理,设计达到包络贴合状态的双指柔性机械手.分析目标件外形轮廓的结构特点,提取目标件轮廓的抓取特征,获得柔性机械手的结构运动原理.根据柔性机械手运动原理,进行目标件包络夹取过程的数学建模与仿真分析,搭建平台验证柔性机械手的性能.该机械手由柔性机械手指、驱动部件和位置补偿机构组成,可以实现圆柱体、圆锥件、长方体类零件的适应性抓取,具有较高的抓取可靠性与稳定性.     

变负载条件下柔性臂自适应预整形振动控制

针对单连杆柔性臂负载发生变化的情况,提出克服柔性臂末端振动的在线自适应输入预整形（OAPCA）方法.该方法将柔性臂连杆角速度的变化看作2阶振动模态的组合,在线设计前馈脉冲预整形输入,脉冲的时间和幅值由模态频率和阻尼值计算得到.当系统振动频率随负载变化后,预整形器失去振动抑制作用,将前馈输入整形控制、比例积分（PD）控制及快速傅里叶变换（FFT）算法相结合,设计自适应整形器抑制柔性臂末端振动.理论上证明OAPCA方法的可行性,并对频率失配的情况进行鲁棒性能分析,进行仿真研究.结果表明,柔性臂OAPCA方法具有良好的末端振动抑制能力和关节角跟踪能力,能够有效解决变负载单模态振动控制问题.     

一种柔性机械臂末端轨迹跟踪的预测控制算法

针对柔性机械臂末端轨迹跟踪的内动态不稳定和模型不精确问题,提出一种用于柔性臂末端轨迹跟踪的预测控制算法.利用输入-输出线性化的方法使得柔性臂末端变量和弹性变量解耦,并根据状态反馈设计出一个非线性预测控制系统,将轨迹跟踪问题转换为状态跟踪问题.该控制系统通过平衡末端跟踪误差、弹性变量和控制力矩3个最优指标来克服内动态不稳定性,并采用最优控制律求解和力矩求解相分离的策略来提高运算速度,同时引入了实际输出数据进行误差补偿以减少模型误差对末端轨迹跟踪精度的影响.仿真结果表明,所提出的预测控制算法在保证柔性臂内动态稳定的同时,能有效解决模型失配引起的控制精度下降问题,并具有较快的运算速度.     

液压机械臂基于反演的自适应二阶滑模控制

利用驱动Jacobian矩阵构建机械臂系统与液压伺服系统的耦合关系,进而建立整个系统的动力学模型。考虑系统未建模动态和外界干扰,通过定义虚拟控制量并选取合适的Lyapunov函数,设计此系统的自适应二阶滑模控制律,使系统在有限时间内精确跟踪期望轨迹且保持强鲁棒性,同时有效削弱了传统滑模控制对系统硬件不利的抖振。仿真结果验证了本文方法的有效性。     

基于分布参数模型的柔性臂变结构控制

提出了一种针对柔性臂分布参数模型的变结构控制方法,解决了系统存在参数不确定性和在外部干扰下的镇定问题。通过Lyapunov函数方法设计了系统的变结构控制器,其中滑模面设计为关节角、关节角速度和柔性臂根部应变的线性组合。由线性算子半群理论和LaSalle不变集原理证明了闭环系统是渐近稳定的。仿真结果验证了该方法的有效性。     

基于终点时刻末端误差的柔性臂迭代学习控制

针对柔性臂重复运行的情况,在仅能测量运行终点时刻末端位置的条件下,提出一种新的结合计算力矩法的迭代学习控制（ILC）方法.该方法利用柔性臂的简化动力学模型,给出各关节控制力矩的参数化表示;并依据终点时刻柔性臂末端位置的误差,通过迭代学习算法调整控制力矩的参数,实现精确到达预期末端位置的目标.算法利用ILC不依赖模型的特点,弥补计算力矩法需要精确模型的缺陷;参数的迭代学习主要起到消除模型误差和各种干扰的作用,增强算法的鲁棒性.通过理论分析给出所提算法的收敛条件.最后在柔性臂系统上进行仿真及实际试验.结果表明,所提出的ILC算法能够克服连杆柔性对柔性臂末端误差的影响,显示良好的控制效果.     

柔性机械臂变结构跟踪控制及柔性振动抑制

柔性机械臂具有质量轻、速度快和负载大的特点,针对柔性机械臂轨迹跟踪与弹性振动抑制问题,基于奇异摄动理论和两种时间尺度的假设,将柔性机械臂系统分解为代表大范围刚体运动的慢变子系统和代表柔性振动的快变子系统.对于慢变子系统采用变结构控制来实现关节轨迹的跟踪,而快变子系统则采用最优控制方法来对柔性杆振动进行主动抑制.仿真实验结果表明,该控制方法不仅能够保证系统刚性运动轨迹的精确跟踪,并能有效抑制柔性杆件的弹性振动.     

高阶系统的奇异摄动模型的平衡降阶

针对目前比较成熟的奇异摄动模型的平衡降阶方法,提出采用时矩输出拟合来改善降阶系统输出响应逼近程度的改进方法,从而使简化模型具有输出误差小、计算简便等优点,通过给出的实例仿真证实了这一点.     

电驱动柔索并联机器人轨迹跟踪滑模控制

针对大射电望远镜粗调系统的非线性、大滞后、多变量耦合以及易受外扰等特点．提出了一种馈源轨迹跟踪的滑模控制策略．该方法通过分阶段加入指数趋近控制来加快系统的响应．同时利用模糊控制器实时调整滑模控制的趋近律参数，不仅保证了控制系统的快速性和鲁棒性，而且能够有效地抑制颤动．     

奇异摄动法在复合控制系统设计中的应用

根据大气层内拦截弹气动力与直接力( RCS)复合执行机构在时间尺度上的差异,本文利用奇异摄 动法将控制系统分为快、慢两个环节,设计RCS的线性切换面和气动舵的反馈控制律．采用Raytheon（雷神） 的四环控制结构和线性二次型调节器保证系统的鲁棒性和时域特性．利用本文设计的自动驾驶仪跟踪一稳 态加速指令,仿真结果表明,它不但能够更加快速、稳定地跟踪控制指令,而且能够实现控制指令在执行机构 之间的最优配置,有效发挥它们各自的特性．RCS的初始值较大,用于提高系统的响应速度,而当系统稳定时 其值则趋向于零,以减少燃料消耗．与此同时,气动尾舵主要起到稳定弹体的作用     

单柔性臂的滑模控制与主动控制比较研究

本文以单柔性机械臂为例,研究了基于奇异摄动理论的滑模控制,以及基于ACLD结构的主动控制问题.首先通过双时标变换,将系统分解为慢变子系统和快变子系统.针对慢变子系统,设计滑模控制器,以实现系统良好的轨迹跟踪性能,针对快变子系统,采用最优控制策略抑制其弹性振动.建立具有主动约束控制装置的主动控制方法的系统动力学模型,并对...     

机械臂协调操作柔性负载自适应模糊滑模控制

基于奇异摄动理论研究了机械臂协调操作柔性负载系统有限元模型的分解及控制问题。通过双时标变换将复杂的协调系统动力学模型分解成慢变子系统和快变子系统。针对慢变子系统,在其存在不确定性上界未知的情况下,设计了自适应模糊滑模控制器,以完成系统的轨迹跟踪性能;针对快变子系统,考虑到系统参数摄动等影响,设计了鲁棒最优控制器,以抑制系统的弹性振动。仿真结果验证了所设计控制方法的有效性。     

Dynamic surface control-backstepping based impedance control for 5-DOF flexible joint robots

A new impedance controller based on the dynamic surface control-backstepping technique to actualize the anticipant dynamic relationship between the motion of end-effector and the external torques was presented. Comparing with the traditional backstepping method that has “explosion of terms” problem, the new proposed control system is a combination of the dynamic surface control technique and the backstepping. The dynamic surface control (DSC) technique can resolve the “explosion of terms” problem that is caused by differential coefficient calculation in the model, and the problem can bring a complexity that will cause the backstepping method hardly to be applied to the practical application, especially to the multi-joint robot. Finally, the validity of the method was proved in the laboratory environment that was set up on the 5-DOF (degree of freedom) flexible joint robot. Tracking errors of DSC-backstepping impedance control that were 2.0 and 1.5 mm are better than those of backstepping impedance control which were 3.5 and 2.5 mm in directions X, Y in free space, respectively. And the anticipant Cartesian impedance behavior and compliant behavior were achieved successfully as depicted theoretically.     

采用积分流形与观测器的并联机器人轨迹控制

针对含柔性杆件并联机器人在高速运行时其末端存在弹性位移问题,以3RRR并联机器人为研究对象,提出一种基于积分流形与高增益观测器的柔性并联机器人轨迹跟踪复合控制算法.基于刚度矩阵引入小参数,将刚柔耦合动力学模型转为慢速与快速两个子系统.针对慢速子系统,采用反演控制,实现对末端刚体运动的跟踪控制,同时为避免杆件弹性变形与振动组成的弹性位移对机器人末端轨迹的影响,推导校正力矩,实现对弹性位移的补偿.针对快速子系统,采用滑模变结构控制,保证流形成立.为避免对曲率变化率的直接测量,引入高增益观测器对其进行估计.采用Lyapunov稳定性原理证明系统整体稳定性,并给出小参数上界.对提出的复合控制算法与奇异摄动及基于刚体动力学的反演控制算法进行仿真,从机器人末端振动抑制与轨迹跟踪性能两方面进行对比,验证了本文所提算法的控制效果.     

机械手伺服系统的两级智能模糊控制

本文给出了高精度伺服系统的一种智能模糊控制器。基于正向、逆向推理和智能协调思想，提出了具有分段、参数自适应、模糊前馈和智能协调的模糊控制器。仿真结果表明，该控制器精度高、抗干扰能力强、实时性好。     

空间两连杆柔性构件弯扭耦合振动主动控制

为了研究空间柔性结构的耦合振动，提出一种由柔性杆和柔性梁组成的两连杆柔性构件系统，对此柔性构件系统的弯扭耦合振动进行了研究，运用拉格朗日方程和假设模态法推导了此柔性系统的动力学方程．在柔性杆根部粘贴一只压电扭转驱动器抑制柔性杆的扭转振动，在柔性梁根部粘贴一只压电剪切驱动器抑制柔性梁的弯曲振动．采用一种基于Lyapunov稳定性的速度反馈控制策略进行了实验仿真研究．结果表明, 施控后的系统是稳定的，弯扭的各阶模态均能得到有效抑制，柔性梁末端的位移振动能得到显著衰减．     

挠性系统谐振频率摄动范围的几何解法

基于D分割法研究了挠性系统弱阻尼谐振频率的摄动范围问题.由于挠性系统的谐振频率分别出现在一次项和二次项中,因此其摄动是非线性的.通过引入两个摄动因子,将问题转化为二维参数鲁棒摄动问题,设计了一种基于D分割法的几何分析方法,求得两个因子的鲁棒摄动区域,该区域与特定直线的交点即为谐振频率的摄动边界值.通过算例验证了该方法的有效性,解决了挠性系统中谐振频率的摄动范围求解问题,同时揭示了谐振频率摄动与H∞范数的对应关系.