基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法

针对目前柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法忽略了不同重力影响下的机械臂驱动力变化,导致柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制效果较差的问题,提出了基于PMSM驱动的柔性关节空间机械臂轨迹跟踪控制方法。基于构建PMSM驱动数学模型,采用PMSM的矢量控制方法,分析驱动力矩矢量。根据驱动力矩矢量分析结果,分析不同重力环境下有、无摩擦时的驱动力矩。构建柔性关节模型,分析其在不同重力环境下遇到的重力释放问题,使用自适应反演滑膜控制方法,设计控制率,保证机械臂能够按照既定的方向运动,使机械臂具有鲁棒性。根据柔性关节空间机械臂动力学特性,分析不同重力环境下基于PMSM驱动力矩,确定重力项是随之发生改变的。设计控制器,构建动力学模型,确保空间阶段能够最大限度跟踪运动轨迹。实验结果表明,所提方法X轴、Y轴的末端跟踪结果均与实际运动轨迹一致,误差为0。关节控制力矩在时间为3s时,出现了最大为0.5N.m的误差,说明所提方法的跟踪控制效果较好。     

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.     

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。     

漂浮基柔性空间机械臂姿态与关节协调运动的Terminal滑模控制

讨论了载体位置无控、姿态受控情况下,具有外部扰动的漂浮基柔性空间机械臂载体姿态与各关节协调运动的控制问题．基于假想模态法、系统动量守恒关系及拉格朗日方法,建立了漂浮基柔性空间机械臂系统的动力学方程,并将其转化为系统控制状态方程．以此为基础,根据Terminal滑模控制技术,给出了系统相关Terminal滑模面的数学表达式,在此基础上提出了具有外部扰动情况下漂浮基柔性空间机械臂载体姿态与各关节协调运动的Terminal滑模控制方案．提出的控制方案不但确保了闭环系统滑模阶段的存在性,同时通过Terminal滑模函数的适当选取,还保证了输出误差在有限时间内的收敛性．此外,由于确保了无论何种情况下系统初始状态均在Terminal滑模面上,从而消除了其它滑模控制方法常有的到达阶段,使得闭环系统具有全局鲁棒和稳定性．一个平面两杆漂浮基柔性空间机械臂的系统数值仿真,证实了方法的有效性．     

地面和空间机械臂的动力学等效条件与控制相似律

针对如何在地面机械臂上有效验证空间机械臂控制律的问题,本文研究空间机械臂和地面机械臂系统间的动力学等效条件和控制相似律.首先,基于量纲分析研究地面机械臂和空间机械臂之间的动力学等效条件,并基于等效条件设计地面机械臂系统.其次,基于量纲分析建立空间和地面机械臂系统间的控制相似律,设计的空间机械臂控制律通过控制相似律将可以转化为地面机械臂相应的控制律.最后,考虑地面机械臂基座往往无法和空间机械臂的基座航天器一样进行全6自由度运动,以及地面机械臂运动时受到重力影响,使得地面机械臂不再满足动力学等效条件,基于反馈线性化技术设计一种地面机械臂的动力学误差补偿策略,使得地面机械臂和空间机械臂具有相似的闭环动力学行为.这样,空间机械臂的控制律可以在设计的地面机械臂上进行验证,仿真中以在地面机械臂上验证空间机械臂的PID控制器为例说明所提方法的有效性.     

一种基于遗传算法的空间机械臂避障轨迹规划方法

针对空间机械臂系统的一系列特殊需求,提出了一种空间机械臂轨迹规划方法.假设机械臂在关节空间下存在一条可以用两段高次样条曲线分段描述、满足所有空间机械臂运动特性要求的理想轨迹.这两段样条轨迹之间的连接点参数能够影响两段样条函数在空间中的扭曲形状,从而使机械臂在遵从样条轨迹运动的同时避开所有障碍.首先建立理想轨迹的分段描述方程,将方程中的未知量用与中间点有关的参数进行描述,将不能够确定的中间点相关参数提取出来作为待定参数,从而将空间机械臂轨迹规划问题转变为一个多目标优化求解问题;其次应用遗传算法进行求解,在分析空间机械臂控制需求和障碍的笛卡儿空间描述的基础上,通过加权系数法建立关于笛卡儿空间机械臂末端轨迹长度、关节空间机械臂运动角度、运动过程中关节最大扭矩、机械臂总运动时间和碰撞情况的遗传算法适应度评定函数.最后应用遗传算法在关节空间下规划出一条无碰撞、动力学特性满足裕度要求、轨迹长度和运动时间较短的理想轨迹.另外,上述方法具有拓展性,通过多次分解轨迹求取中间点,能够使机械臂避开非常复杂的障碍.利用该方法在通过C语言建立的空间机械臂仿真平台上进行验证,结果表明该方法稳定、有效,生成的轨迹满足空间机械臂的性能要求.     

空间绳系机器人抓捕目标过程协同稳定控制

针对空间绳系机器人抓捕无控目标过程中的自身稳定控制问题,提出一种操作机械臂主动阻尼控制与利用空间系绳、反作用轮进行基体姿态稳定控制相结合的协同稳定控制方法.文中首先建立了空间绳系机器人抓捕目标的动力学模型及与目标的接触碰撞模型,分析了抓捕过程中空间绳系机器人及目标的运动状态,在此基础上设计了操作机械臂关节主动阻尼控制律以减小碰撞力对操作机械臂末端的冲击,结合基体姿态的变化设计了滑模姿态稳定控制律,通过空间系绳和反作用轮提供基体所需的滑模姿态控制力矩.在抓捕目标仿真过程中对关节主动阻尼控制方法和所提出的协同稳定控制方法进行比较分析,结果表明,本文提出的抓捕目标协同稳定控制方法能很好地稳定操作机械臂和基体,且空间系绳对基体及目标的扰动影响很小,达到了空间绳系机器人抓捕目标时自身稳定的要求.     

低频振动控制用阻尼器流固耦合仿真

卫星挠性附件的低频振动极易与整星发生动力学耦合,进而影响姿态控制效果与卫星成像性能.本文设计了一种新型流体阻尼器,通过在挠性附件和星体之间串联该流体阻尼器的方案来快速稳定挠性附件的低频振动;建立了阻尼器结构模型,使用基于有限元法的流固耦合仿真获取了阻尼器在低频激励下的迟滞回线;研究了流体阻尼器的阻尼特性;定义了阻尼系数并给出了阻尼系数随阻尼孔径、阻尼孔长和激励频率的变化规律.结果表明,低频激励下阻尼系数随激励频率的增加而减小,随孔径与孔长的增加而先增大后减小,存在最佳阻尼系数.该结果为阻尼器在工程实际中的应用提供设计参考.     

改进幂次趋近律的机械臂滑模控制律设计

针对机械臂滑模控制中存在的抖振问题,采用趋近律的方法来进行改善,在对机械臂的控制特点和常用的滑模趋近律进行分析的基础上,针对幂次趋近律的缺点,提出了一种改进的幂次趋近律,并对其趋近性能进行了分析;根据机械臂动力学模型和改进的幂次趋近律设计了相应的滑模控制策略,对其控制策略的位置跟踪特性和抖振消除能力等进行了验证;仿真结果表明,该控制策略不仅有效地抑制了机械臂滑模控制中的抖振问题,而且保证了机械臂系统对期望轨迹的快速跟踪性,具有更好的趋近特性和收敛特性。     

一种三维力反馈训练仿真控制系统设计

针对空间站舱外任务需要研究人员通过遥操作控制平台对空间站机械臂遥操作来完成,而空间站机械臂研制成本高,无法实现现场调试,直接投入使用风险性高,系统安全性与可靠性无法保障的缺陷与不足,设计了一种面向空间站机械臂的遥操作力反馈训练的仿真控制系统.重点阐述了该系统的工作原理以及系统硬件和软件设计思路.该系统的力反馈手柄具有3个自由度,充分模拟操作空间;力反馈手柄末端位置信息和力反馈信息,由微控制器STM32系列单片机与PC实现数据传输.实验结果验证了该系统面向空间站虚拟机械臂的力反馈控制仿真功能、系统硬件和软件的可靠性,为空间站机械臂的虚拟仿真提供了一种可行方案.     

Dynamic modeling and vibration characteristics analysis of flexible-link and flexible-joint space manipulator

With the development of space technology, lighter and larger space manipulators will be born, of which flexible characteristics are more obvious. The manipulator vibration caused by the flexibility not only reduces the efficiency of the manipulator but also affects the accuracy of the operation. The flexibility of space manipulator mainly comes from structural flexibility of links and transmission flexibility of harmonic gear reducer in joints. The vibrations generated by these two kinds of flexibility are coupled and transformed mutually, making the dynamics characteristics of space manipulator system complicated. Therefore it is difficult to assess respective effects of these flexibilities on vibrations of the manipulator tip. And the characteristics of integrated vibration of manipulator tip with different link and joint stiffnesses are not very clear. In this paper, the dynamic equations of multi-link multi-DOF flexible manipulator are established. Then, vibration responses of the tip under different elastic modulus, damping and joint stiffness were studied, and vibration characteristics of the tip with both link and joint were also analyzed. Moreover, the effects of motion planning on the vibration of the tip were analyzed. Finally, the vibration characteristics of the manipulator with flexible joints and links are verified by a two-degree-of-freedom manipulator experimental system. Dynamics analysis results presented some useful rules for the path planning and control to suppress the vibration of the flexible space manipulator.     

Partial differential equation modeling and vibration control for a nonlinear 3D rigid‐flexible manipulator system with actuator faults

In this paper, modeling and controlling problem for a two‐link rigid‐flexible manipulator in three‐dimensional (3D) space is studied under actuator faults. For modeling, the dynamics of the 3D mechanical system is represented by nonlinear partial differential equations, which is first derived in infinite dimension form. Based on the nonlinear model, the controller is proposed, which can achieve joint angle control and vibration suppression control in the presence of actuator faults. The stability analysis of the closed‐loop system is given based on LaSalle invariance principle. Numerical simulations illustrate the effectiveness of the proposed controller. This study will promote the development of nonlinear flexible manipulator systems in 3D space.     

机械臂负载移动性能与运动调控研究

工业的不断发展对机械臂的负载要求越来越高,而负载的增加会对机械臂末端的精度造成影响.本文以Franka七轴串联机械臂为对象,采用M-DH法和雅可比迭代法对其正、逆运动学展开分析;采用三次函数插值法进行关节空间的轨迹规划.基于拉格朗日方程建立了机械臂的动力学模型,并通过Admas和Simulink联合动力学仿真验证了动力学模型的有效性.最后基于定位控制,对末端位置误差收敛速率、负载质量、控制参数之间的关系展开研究.     

基于PSO非均匀样条插值的混合结构柔性臂抑振轨迹规划

柔性臂广泛应用于核工业、建筑业、太空探索等领域,但由于自身刚度低、大挠度、低阻尼等特点,其末端易产生振动且难以在短时间内消除.对此,研究一种具有一个旋转关节和一个伸缩关节的混合结构柔性臂的抑振轨迹规划方法.通过对其结构分解和刚柔部分分解,建立动力学和运动学模型.为了提高算法效率,引入权重因子,构造映射函数,选取非均匀插值点,采用粒子群算法(PSO)优化插值点位置增量,利用3次样条插值拟合优化后的轨迹函数.最后,通过设计混合柔性臂的控制系统,验证所提出抑振轨迹规划方法的有效性.     

PD Controller for Manipulator with Kinetic Energy Term

A kinetic energy approach to PD control in joint space of a manipulator in terms of the eigenfactor quasi-coordinate velocity (EQV) vector is considered in this paper. The modified PD controller which contains quantities resulting from decomposition of a manipulator mass matrix is proposed. The obtained equations of motion are based on the eigenvalues and eigenvectors of the mass matrix (Junkins, J. L. and Schaub, H. [7]. It is shown that utilizing the EQV vector one can determine directly the kinetic energy of the manipulator and at the same time realize PD control in its joint space. This energy-based strategy gives an interesting insight into position control. The controller presented here was tested in simulation on a 3 d.o.f. direct drive arm manipulator and via experiment on a 2 d.o.f. manipulator. The results confirmed that one can directly determine the kinetic energy for the total manipulator as well for its each joint. Additionally, time response of the system under EQV controller is faster than for the classical controller if mechanical coupling are strong.     

微重力环境下空间机械手的动力学建模新方法

未来空间作业将需要机械手在微重力的环境下完成各种复杂的任务．由于机械手与其本体的动态耦合，给机械手带来了许多运动学、动力学及控制方面的问题．本文提出了一种空间机械手动力学的建模新方法，对空间机械手的正、逆动力学进行了分析．应用该方法，建立了一种基于解出加速度的空间机械手的控制策略．本文所提出的方法不仅适合于单机械手系统，而且适合于多机械手的系统．     

Distribution of dynamic loads for multiple cooperating robot manipulators

For the situation of multiple cooperating manipulators handling a single object, a formulation is presented which allows load distribution of the combined system to be made while taking manipulator dynamics into account. First, object dynamics are used to transform the motion task. An integrated procedure for modeling arm dynamics is detailed. Then a method is introduced which transforms the object load to the joint level. At this level, various methods of load distribution that allow subtask performance are proposed. These methods allow desired object motion while selecting loads desirable to alleviate manipulator dynamic loads.