柔性冗余度机器人振动控制的一种方法

对于柔性机器人而言,如何尽快抑制其结构柔性所引起的振动是十分重要的.本文对柔性冗余度机器人振动的控制问题的原理与策略进行了研究.把阻尼的主动控制思想应用于机器人振动的控制中,并给出了相应的最优控制方法.这种方法通过优化机器人的自运动实现外部能量的输入以提高系统的阻尼,使振动迅速衰减.此外,对这种控制方法的实现进行了讨论.最后对一个末杆为柔杆的平面三杆机械手振动的控制进行了仿真,结果验证了方法的有效性.      

全柔性空间机器人基于虚拟力的输出反馈有限维重复学习控制及振动抑制

探讨了基座、关节、臂均存在柔性情况下，空间机器人关节轨迹运动及多重柔性振动的主动控制和主动抑制问题.结合线性弹簧、扭转弹簧、简支梁及假设模态法，利用拉格朗日方程建立了基座、关节、臂全柔性影响下的空间机器人系统动力学模型，利用奇异摄动法，将模型分解为关节运动慢变子系统与关节柔性振动快变子系统.为控制慢变子系统中载体姿态、关节刚性运动并且抑制臂的柔性振动，依据虚拟控制力的概念，设计了基于有限维傅里叶级数解析周期信号的输出反馈重复学习算法.李雅普诺夫直接法证实了上述控制器的稳定性.为了抑制快变子系统中基座和关节的柔性振动，分别采用线性二次最优控制方法以及引入关节柔性补偿器间接增大关节等效刚度的方式，使控制算法不局限于求解弱非线性问题.系统数值仿真结果表明，所提出的控制器能够有效抑制机器人多重柔性构件的振动，实现对期望信号的高品质追踪.      

基于有限差分法的双臂关节柔性空间机器人智能递阶控制策略

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件广泛应用于空间机器人关节系统，以获取高减速比.这些柔性元件为空间机器人系统引入关节柔性，使得对其的稳定控制变得更为复杂.本文讨论研究了参数不确定双臂关节柔性空间机器人基于有限差分法的智能递阶控制及弹性振动抑制.运用递阶系统理论、动量守恒原理及第二类拉格朗日方法推导出系统递阶动力学模型.利用该模型，设计了基于模糊回归神经网络的非奇异Terminal滑模控制算法和基于有限差分法的滑模控制算法.采用模糊回归神经网络（Recurrent Fuzzy Neural Network，RFNN）逼近系统的不确定部分.为避免复杂的求导计算及角加速度可测要求，利用基于有限差分法的滑模控制来抑制柔性关节振动.由于设计控制器过程中未涉及惯常的奇异摄动双时标分解操作，该控制算法理论上具有适合任意大小关节柔性刚度的优点.系统对比仿真试验证明了智能递阶控制算法优于传统基于奇异摄动法的控制方案.      

冗余度机器人动力学容错控制技术研究

就提高冗余度机器人动力学容错能力问题进行了研究.通过优化关节力矩分配椭球,使得该椭球主轴长度的乘积尽可能大,从而动力学容错能力得到改善.基于此,研究了故障状态下的关节力矩再分配算法和实时的动力学容错控制方案.为了减小故障造成的跟踪误差,对PID(Proportional Inteqrated Differential)和变结构控制的仿真效果进行了对比,仿真结果证实了所提算法的有效性和实用性.     

基于可操作度的单冗余度机器人容错性指标

当冗余度机器人关节出现故障时,必将影响其灵活性.即使正常操作时具有较高的灵活性,如果关节出现故障也可能导致雅可比矩阵奇异,致使机器人不能沿任意方向运动.针对单冗余度机器人出现一个关节故障的情形,用可操作度分析此类机器人的容错性,并提出新的运动学和动力学容错性评价指标,所给指标计算量小、易于在线实时运算,最后给出优化算例,证实了所给评价指标的有效性.     

冗余度机器人动力学优化控制研究

稳定性和终态自运动是动力学优化中的难点.为了解决冗余度机器人动力学优化中的这些困难,深入研究了动力学优化和关节速度间的内在联系和矛盾,提出通过优化关节速度提高动力学优化的综合品质的思想,阐述了在线调节关节速度齐次项,同时改善稳定性和终态自运动的方案.仿真证实所提方案的实用性和有效性.     

柔性关节空间机器人基于柔性补偿的模糊鲁棒滑模控制及柔性振动主动抑制

针对参数不确定的漂浮基柔性关节空间机器人系统,研究了其动力学建模过程、运动控制律设计及柔性振动的主动抑制.利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日方程建立了系统的动力学方程.为克服传统奇异摄动法仅适用于关节弱柔性系统这一局限性,设计了柔性补偿项来等效提高空间机器人系统中柔性关节的刚度.在此基础上,利用奇异摄动法将系统分解为相互独立的慢变子系统和快变子系统,并分别进行控制律设计.所设计的慢变子系统模糊鲁棒滑模控制律可补偿系统中的不确定参数,减小柔性关节引起的转角传动误差,实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪;快变子系统控制律可主动抑制柔性关节引起的系统柔性振动.仿真实验结果证明了该混合控制律的有效性.      

柔性冗余度机器人振动分析与抑制

从理论上分析了利用冗余芳机器人的“自运动”克服其结构柔性引起的机器人臂末端振动的可能性及实际应用的方法,仿真结果证明了可行性。     

面向未知目标的柔性关节空间机器人滑模控制

针对载荷捕获的空间机器人控制问题，同时考虑机械臂关节柔性和非合作目标质量未知等因素影响，提出一种基于目标质量观测器的滑模变结构控制方法.首先，针对空间非合作目标质量未知问题，设计基于改进的最小二乘迭代算法实现对非合作目标质量在线辨识.进而，采用拉格朗日方法和动量矩守恒原理，建立漂浮基座柔性关节空间机器人动力学模型；针对动力学模型中刚柔耦合特性，基于奇异摄动理论将系统模型近似地分解为快慢变子系统；针对慢变子系统，设计滑模变结构控制器来保证系统的鲁棒性和动态特性；针对快变子系统，设计基于速度差值的反馈补偿控制算法，抑制柔性关节产生的残余振动，保证控制精度.最后，实验分析了快慢变子系统各自的作用机理，验证了控制方法有效性.     

被动冗余度空间机器人动力学控制

研究了被动冗余度空间站机器人的动力学控制问题，包括非完整系统的运动规划，渐进稳定的动力学控制规律；在动力学控制中，利用被动冗余度机器人“非完整自运动”的运动学优化方法完成机器人的动力学控制，构造的动力学闭环控制律保证机器人运动过程中末端跟踪期望的运动轨迹，通过三连杆空间站机器人模型进行了仿真，结果证明了得到的结论。     

基于电磁力与力矩的航天器运动控制的研究进展

电磁力与力矩是一种非接触式的相互作用力与力矩.将通电线圈或磁铁放在磁场中会受到电磁力与力矩的作用.多个通电线圈或磁铁相互作用时，在彼此构成的磁场中也会受到电磁力与力矩的作用.作为一种非接触的力与力矩，电磁力与力矩在航天器的姿态与相对位置控制系统中已有了广泛和深入的应用.本文主要介绍近年来由航天器上电磁装置受到地磁场作用产生电磁力矩在姿态控制中的应用，和带有电磁机构的多航天器间相互作用控制多航天器间相对位姿的应用等.     

Obstacle avoidance handling and mixed integer predictive control for space robots

This paper presents a novel obstacle avoidance constraint and a mixed integer predictive control (MIPC) method for space robots avoiding obstacles and satisfying physical limits during performing tasks. Firstly, a novel kind of obstacle avoidance constraint of space robots, which needs the assumption that the manipulator links and the obstacles can be represented by convex bodies, is proposed by limiting the relative velocity between two closest points which are on the manipulator and the obstacle, respectively. Furthermore, the logical variables are introduced into the obstacle avoidance constraint, which have realized the constraint form is automatically changed to satisfy different obstacle avoidance requirements in different distance intervals between the space robot and the obstacle. Afterwards, the obstacle avoidance constraint and other system physical limits, such as joint angle ranges, the amplitude boundaries of joint velocities and joint torques, are described as inequality constraints of a quadratic programming (QP) problem by using the model predictive control (MPC) method. To guarantee the feasibility of the obtained multi-constraint QP problem, the constraints are treated as soft constraints and assigned levels of priority based on the propositional logic theory, which can realize that the constraints with lower priorities are always firstly violated to recover the feasibility of the QP problem. Since the logical variables have been introduced, the optimization problem including obstacle avoidance and system physical limits as prioritized inequality constraints is termed as MIPC method of space robots, and its computational complexity as well as possible strategies for reducing calculation amount are analyzed. Simulations of the space robot unfolding its manipulator and tracking the end-effector’s desired trajectories with the existence of obstacles and physical limits are presented to demonstrate the effectiveness of the proposed obstacle avoidance strategy and MIPC control method of space robots.     

200Nms单框架控制力矩陀螺研制

介绍天宫一号目标飞行器采用的单框架控制力矩陀螺的总体结构、技术指标和验证试验.该单框架控制力矩陀螺的角动量为200Nms,最大可输出力矩为20Nm,响应带宽为2Hz,其中2个控制力矩陀螺高速转子已经进行了25000h的寿命试验.天宫一号目标飞行器姿态控制系统共采用了6个单框架控制力矩陀螺来输出姿态控制力矩,当1个或2个控制力矩陀螺失效时姿态控制系统仍能正常工作.     

磁悬浮敏感陀螺动力学建模与关键误差源分析

基于转子动力学构建了针对一种新型双球形包络面转子磁悬浮敏感陀螺（MSSG）动力学模型,并对陀螺关键误差源进行了理论分析。描述了磁悬浮敏感陀螺的结构特点与角速率测量原理,并分别建立了磁悬浮转子所受电磁力与电磁力矩数学模型,分析了转子微小平移与偏转对转子力学状态的影响机理,利用ANSYS软件得出的有限元仿真结果与模型计算结果基本吻合。在此基础上,从理论上对转子非球形误差和洛伦兹力磁轴承误差2种主要误差源进行了初步分析,给出了干扰力矩解析表达式。计算表明:转子非球形和洛伦兹力磁轴承中磁场分布不均是导致测量误差产生的主要因素。模型的构建可为磁悬浮敏感陀螺的优化设计与分析提供有效理论依据。      

空间机械臂系统总体技术指标确定方法

总体技术指标的确定是空间机械臂总体设计中的关键,基于此,文章提出了一种空间机械臂总体技术指标确定方法,并进行动力学仿真研究。首先从任务目标出发,结合总体约束条件,对空间机械臂的长度、末端位姿精度、末端最大运动速度、关节驱动力矩等技术指标进行论证;然后建立系统的多体动力学模型,对常规工况和极限工况下空间机械臂的带载操作过程进行动力学仿真,以验证所确定的总体技术指标。仿真结果表明,所提出的思路和方法对于空间机械臂的设计和研制具有一定参考作用。     

磁悬浮径向球面纯电磁磁轴承的设计

针对柱面磁轴承偏转时干扰力矩较大问题,本文提出一种径向球面纯电磁磁轴承设计方法。在本设计中,当磁轴承产生偏转或偏移时,电磁力会指向转子球心,从而降低定子磁极对转子产生的干扰力矩,提高磁轴承的控制精度。首先,阐述球面磁轴承的工作原理并建立数学模型,运用等效磁路理论方法和有限元数值方法分析其电流刚度和位移刚度,2种方法的计算结果基本吻合,表明球面磁轴承的有限元分析模型是合理的。接着,运用有限元方法分析球面磁轴承和柱面磁轴承产生偏转时的干扰力矩,结果表明当转子达到最大偏转角0.3°时,球面磁轴承的干扰力矩是柱面磁轴承的干扰力矩的1.8%,表明球面磁轴承相对于柱面磁轴承在抗干扰力矩能力方面有很大的提高。最后,进一步分析球面磁轴承产生X方向或Z方向偏移时的干扰力矩,计算结果与偏转时干扰力矩的量级相当。综上所述,本文提出的径向球面纯电磁磁轴承有低干扰力矩的优点,可用于航天航空工程中惯性执行机构的高精度控制和角速率检测。     

一种圆柱物料装填机器人残余振动抑制方法

为提高载具内的物料装填效率，提出了一种在载具内受限空间中使用的新型圆柱物料装填机器人，并通过优化关节轨迹，对机器人末端残余振动进行抑制。首先，给出物料装填机器人的总体设计方案和工作流程。然后，结合物料装填机器人的结构特点，应用拉格朗日方法建立封闭形式的刚柔耦合动力学模型，并应用模态分析方法得到机器人末端动态响应计算方法。最后，以物料装填机器人关节残余弹性势能最小为优化目标，使用最大最小蚂蚁系统，对机器人关节轨迹进行优化，并对优化结果进行仿真验证。仿真结果表明，优化后的关节轨迹，在满足快速装填要求的基础上，可以降低约34.4%的关节残余弹性势能和约37.6%的机器人末端振动振幅。      

非接触位移测量中参考点抖动影响的补偿方法

针对用非接触3D光学位移测试系统进行结构动位移形变测试时,测试参考点会发生抖动而影响测试结果的现实难题,提出在用光学位移测试系统测试结构动位移的同时,利用3D加速度传感器同步测试参考点的振动加速度进而获得参考点的3D振动位移,然后用参考点的3D振动位移去修正光学位移测试系统的测量结果,从而提高测量精度的测试和处理方法。论文重点对如何通过振动加速度获得准确的参考点3D振动位移和如何通过参考点的3D振动位移来修正3D光学位移测试系统测量输出的方法和算法进行了研究、仿真和实际测试验证。仿真和实验结果表明,本文提出的测试方法和算法可以有效补偿动位移直接测量中因参考点抖动而引入的测量误差,显著提高测量精度。     

基于LS-DYNA直齿轮动态啮合特性分析

基于接触有限元分析理论和显式计算方法,利用LS-DYNA软件,可以高保真地模拟齿轮动态啮合过程。通过建立某实验研究中齿轮的精确啮合有限元分析模型,利用上述方法,模拟实验齿轮的动态啮合过程,根据数值计算结果分析齿轮动态啮合过程的振动特性。研究表明:齿轮动态啮合过程的数值模拟结果与实验结果具有很好的一致性;薄壁齿轮易产生结构振动,且其轮缘振动明显;降低轮缘及腹板的厚度,会使得轮缘及腹板承担齿轮啮合载荷的比重增大;当腹板位置不在齿宽中心时,会导致直齿轮动态啮合过程产生轴向啮合力。此外,研究还得出齿轮的共振条件以及齿轮共振状态的判定方法。