惯性参数不确定的自由漂浮空间机器人自适应控制研究

针对自由漂浮空间机器人系统惯性参数不确定问题,提出一种笛卡儿空间内的自适应轨迹跟踪控制方法。采用扩展机械臂模型建立了自由漂浮空间机器人关节空间动力学方程,进而推导笛卡儿空间中的自由漂浮空间机器人动力学方程。在基于逆动力学法的自由漂浮空间机器人自适应控制器设计中,利用标称控制器离线固定控制参数与补偿控制器在线补偿方法,既可以保证惯量矩阵可逆,又可以使控制参数实时估计。采用Lyapunov方法的稳定性分析表明系统是稳定且渐进收敛的。最后,应用该控制方法对两杆平面自由漂浮空间机器人进行了仿真研究。仿真结果显示自由漂浮空间机器人末端执行器在笛卡儿空间具有良好的轨迹跟踪能力。     

机器人系统的动态混合力/位置控制的几何原理

基于在位形空间中受约束系统的几何性质,对机器人系统的运动及所受的约束力进行研究。通过引入法空间及切空间的概念,实现了机器人运动及力的解耦控制,从而简化了控制系统。通过对双臂机器人系统的位置/力动态混合控制的数字仿真,说明本方法简单、可行。     

基于后退设计的空间机器人系统的自适应控制

 结合后退设计方法和自适应控制理论，对载体姿态可控的空间机器人系统提出了一种自适应跟踪控制算法。当系统的惯性参数未知时，该算法可以保证空间机器人的手端跟踪误差渐近趋于零。和已有的算法相比，所提出的算法可以消除Lyapunov函数导数表达式中的交叉项，明显改善系统的跟踪性能。对平面两关节空间机器人的仿真结果证实了算法的有效性。     

基于遗传算法的多机器人系统集中协调式路径规划

根据多机器人系统无碰撞运动的需要,对其工作空间进行了分解,确定了机器人运行路线上的各个可能路径点,从而得到了规划空间的多路径点链接图描述。基于这种对规划空间的链接图建模描述,开发了一种混合遗传算法用于寻找多个机器人的无碰撞协调运动路线。仿真结果表明,这种方法可有效地解决复杂规划空间下的多机器人路径规划问题。     

具有时延的漂浮基空间机器人基于泰勒级数预测、逼近的改进非线性反馈控制

 探讨了本体位置与姿态均不受控的漂浮基空间机器人在时间延迟(简称时延)情况下惯性空间轨迹跟踪的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,分析、建立了漂浮基空间机器人完全能控形式的系统动力学模型及运动Jacobi关系.以此为基础,针对系统存在时延的情况,利用泰勒级数预测、逼近的方法,建立了适用于时延情况下控制系统设计的数学模型.利用该模型,提出了一种空间机器人在时延情况下的改进非线性反馈控制方案.然后运用Lyapunov第二类方法,结合范数以及图形分析的方法证明了在时延情况下整个闭环控制系统的渐近稳定性.文中提到的控制方案能够有效地克服系统存在时延的影响,控制漂浮基空间机器人末端爪手跟踪惯性空间的期望轨迹.系统数值仿真结果证明了上述控制方案的有效性与精确性.     

基于RBF神经网络的空间飞网机器人控制策略设计与改进

针对空间飞网机器人清理空间碎片的任务,利用RBF神经网络和滑模控制理论研究了输入受限情况下的稳定控制问题。首先基于图论和质量集中法建立了空间飞网机器人系统的动力学模型,并进行了动特性分析。接着考虑机动单元质量和干扰上界未知的情况,基于RBF神经网络方法设计了直接滑模控制器,可保证输入不受限下空间飞网机器人系统快速稳定。然后考虑执行机构物理约束,引入辅助系统,改进了基于RBF神经网络的直接滑模控制方法,证明了输入受限时系统的稳定性。最后通过数值仿真验证了所设计控制策略的有效性。     

3D双臂空间机器人广义雅克比矩阵推导与运动学特性分析

基于智能机器人空间在轨服务任务,对空间机械臂系统进行了一种新的3D双臂空间机器人广义雅克比矩阵推导方法研究和简单的运动学特性定量分析,并使用Simulink与ADAMS完成了3D双臂多自由度空间机器人的运动仿真和运动特性定性分析的验证。与以往对多臂机器人广义雅克比矩阵推导的单臂化或平面化处理不同,该方法适用于任意多臂多自由度空间机器人广义雅克比矩阵的推导,是一种普遍通用的推导方法,当臂的条数增多时相应修改对应参数即可。     

闭链空间机械臂抓持载荷基于积分滑模的模糊自适应控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,漂浮基闭链双臂空间机器人抓持系统的动力学建模与控制问题.利用拉格朗日方法和牛顿-欧拉法,分别建立了双臂空间机器人及抓持负载的动力学模型,并结合漂浮基空间机器人固有的线动量和角动量守恒动力学特性及闭合链约束几何关系,获得了抓持系统合成动力学方程.以此为基础,考虑到闭链双臂空间机器人系统结构的复杂性及某些参数的变动性,根据模糊控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了系统参数不确定情况下该抓持系统基于积分滑模面的力/位置模糊自适应协调控制方案,从而达到对抓持负载位置与所受内力的双重控制效果.系统数值仿真证明了控制方案的有效性与精确性.     

漂浮基空间机器人捕获卫星过程动力学模拟及捕获后混合体运动的RBF神经网络控制

 讨论了漂浮基空间机器人在轨捕获目标卫星过程的碰撞动力学建模,以及捕获操作结束后空间机器人与卫星混合体的稳定控制问题。首先采用多刚体动力学建模方法并结合空间机器人捕获目标卫星过程中的碰撞动力学特性,建立了漂浮基空间机器人在轨捕获漂浮卫星过程的动力学模型,并在此基础上计算出完成捕获操作后空间机器人与目标卫星混合体关节的运动速度。然后针对卫星及空间机器人系统惯性参数均是未知的复杂情况,应用上述模型、神经网络控制理论和Lyapunov稳定性理论,设计了空间机器人与卫星混合体在捕获过程碰撞冲击影响下稳定运动的高斯径向基函数神经网络控制方案,以达到对捕获卫星的有效控制。此外,高斯径向基函数神经网络控制方案具有不需要测量和反馈载体位置、移动速度与加速度的显著优点。系统数值仿真证实了上述控制方案的有效性。     

基于LSTM的空间机器人系统惯性张量在轨辨识

在空间机器人抓捕目标的过程中,整个系统的惯性张量会随时间变化且在目标被捕获瞬间发生突变,这会严重影响整体姿态控制的精度。针对以上问题,提出了一种基于长短期记忆（LSTM）的系统惯性张量在轨实时辨识方法。首先,对于目标捕获前后的2个阶段,利用拉格朗日方程建立了空间机器人的动力学模型;然后,基于所建空间机器人模型采用域随机化方法生成足量训练数据,并用其对由LSTM网络与多层全连接网络构建的参数辨识网络进行训练;最后,使用训练好的参数辨识网络对系统惯性张量进行辨识。数值仿真结果表明：所提方法能够精确辨识空间机器人抓捕过程中的系统惯性张量,所研究系统的主惯量平均相对辨识误差小于0.001,惯性积的平均相对辨识误差小于0.01。     

欠驱动机器人的动力学耦合奇异研究

欠驱动机械臂的运动只能从动力学水平进行控制,从动关节的运动是通过主动关节的动力学耦合间接控制的。主、被动关节之间的动力学耦合特征与机械臂关节空间的位形有关,因此在欠驱动机械臂运动过程中可能发生动力学耦合奇异,某些被动关节的运动变得不可控。从关节空间和操作空间两个角度分析了欠驱动机械臂的动力学耦合问题,给出从以上两种工作空间度量系统动力学耦合的指标。提出一种基于输入变量非线性变换的滑模变结构控制方法,用于实现欠驱动机械臂操作空间中的连续轨迹控制。通过平面二连杆欠驱动机械臂和只有一个主动关节的平面三连杆欠驱动机械臂进行了仿真,仿真结果证明提出的控制方法是可行的。     

Parameterization and adaptive control of space robot systems

In space application, robot system are subject to unknown or unmodeled dynamics, for example, in the tasks of transporting an unknown payload or catching an unmodeled moving object. We discuss the parameterization problem in dynamic structure and adaptive control of a space robot system with an attitude-controlled base to which the robot is attached. We first derive the system kinematic and dynamic equations based on Lagrangian dynamics and the linear momentum conservation law. Based on the dynamic model developed, we discuss the problem of linear parameterization in term of dynamic parameters, and find that in joint space, the dynamics can be linearized by a set of combined dynamic parameters; however, in inertial space linear parameterization is impossible in general. Then we propose an adaptive control scheme in joint space, and present a simulation study to demonstrate its effectiveness and computational procedure. Because most takes are specified in inertial space instead of joint space, we discuss the issues associated to adaptive control in inertial space and identify two potential problem: unavailability of joint trajectory because the mapping from inertial space trajectory is dynamic-dependent and subject to uncertainty; and nonlinear parameterization in inertial space. We approach the problem by making use of the proposed joint space adaptive controller and updating the joint trajectory by the estimated dynamic parameters and given trajectory in inertial space     

New nonlinear control algorithms for multiple robot arms

Multiple coordinated robot arms are modeled by considering the arms as closed kinematic chains and as a force-constrained mechanical system working on the same object simultaneously. In both formulations, a novel dynamic control method is discussed. It is based on feedback linearization and simultaneous output decoupling technique. By applying a nonlinear feedback and a nonlinear coordinate transformation, the complicated model of the multiple robot arms in either formulation is converted into a linear and output decoupled system. The linear system control theory and optimal control theory are used to design robust controllers in the task space. The first formulation has the advantage of automatically handling the coordination and load distribution among the robot arms. In the second formulation, it was found that by choosing a general output equation it became possible simultaneously to superimpose the position and velocity error feedback with the force-torque error feedback in the task space     

柔性臂空间机器人的一类运动学方程及轨迹规划

用柔性机械臂连杆末端的弹性变形以及变形角度来表示空间机器人柔性臂的弹性运动变量,克服了用无穷维振动模态变量来表示弹性变形给系统运动学建模带来的困难;基于广义雅可比矩阵的思想,建立了柔性臂空间机器人"双广义雅可比矩阵"形式的运动学模型,该运动学模型描述了柔性臂弹性变形对空间机器人的运动影响;以运动学方程为基础,设计了柔性臂空间机器人的惯性空间内连续轨迹规划算法。仿真表明,规划的机械臂关节运动规律可以补偿柔性连杆振动给机械臂末端位置带来的影响,使机械臂末端位置准确沿着期望的轨迹运动。     

空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制

提出了动态抓取域用于空间机器人捕获漂浮目标的抓取控制。空间机器人捕获漂浮目标时,由于机械臂与基体的动力学耦合、抓取时的碰撞激振等非线性特性使得抓取控制变得复杂而重要。首先建立了空间机器人及漂浮目标的动力学模型,而后引入了末端装置抓取目标时的碰撞模型,并提出了"动态抓取域"用于机械臂抓取目标时的控制,同时应用关节主动阻尼控制,以减小抓取碰撞激振对空间机器人冲击的影响。结果表明:在相同抓取时间下,加速抓取明显优于匀速抓取,碰撞力振幅减小至匀速抓取时的20%,对空间机器人的激振冲击明显消除,仅在抓取结束前有小幅激振。这对空间机器人的抓取控制有着重要的理论价值及工程实际意义。     

冗余度柔性机器人动态响应主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题。建立了该离散时变动力学系统的状态空间表达式。根据离散量小值原理设计了LQR最优控制律，并提出了一种状态估计的近似方法。平面3R冗余度柔性机器人的仿真算例表明，采用这种主动控制方法可使冗余度柔性机器人的动力学特性得到显改善。