柔性冗余度机器人振动的分析与控制

应用最优控制理论,对柔性冗余度机器人振动控制问题的原理与策略进行了研究。把主动控制思想应用于机器人振动控制中,提出了控制柔性冗余度机器人振动的一种方法。这种方法通过规划机器人的自运动加快系统振动能量的消耗以实现主动振动控制。此外,通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人具有二次优化的能力,这对于提高机器人的工作性能是十分重要的。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

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。     

柔性冗余度机器人运动灵活性的研究

 对改善柔性冗余度机器人的运动灵活性问题进行了研究。首先分析了机器人的关节速度与其运动灵活性之间的关系;然后利用柔性冗余度机器人的二次优化能力,进一步研究了改善柔性冗余度机器人运动灵活性的问题,通过泰勒级数展开的办法把振动的抑制从加速度级等效转化到速度级,从而可以在速度级上同时实现振动的抑制和灵活性的改善,并给出了在抑振的同时改善机器人运动灵活性的方法。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

平面柔性欠驱动机械臂的非线性动力学分析

研究了平面柔性欠驱动机械臂中被动关节对系统动态特性的影响 ,在动力学分析的基础上 ,提出了一种基于内共振原理的柔性欠驱动机械臂振动控制方法。在对系统的稳态周期运动进行分析研究的基础上 ,发现处于自由摆动状态的被动关节的平衡位置随系统结构的振动而发生漂移 ,并且被动关节平衡位置的漂移速度和方向与周期输入的振幅有关。提出利用结构柔性产生的振动实现被动关节位置控制的方法 ,通过平面二连杆柔性欠驱动机械臂进行了仿真计算     

利用二次优化实现柔性冗余度机器人关节力矩最小化研究

对基于振动抑制的柔性冗余度机器人关节力矩的最小化进行了研究。通过分析影响柔性机器人弹性动力响应的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人动态性能的结论。在此基础上,通过对柔性冗余度机器人的关节运动进行研究,提出了通过自运动的适当选取从而抑制机器人柔性振动的方法。通过对满足抑振要求的自运动的选取进行分析,指出柔性冗余度机器人在实现振动抑制的基础上还具有二次优化的能力,并且利用这种二次优化的能力得出了基于振动抑制的最小化关节力矩的方法。数值仿真验证了该方法的有效性。     

考虑连接非线性的大型桁架天线分散协调控制

针对含非线性连接的大型桁架式天线,考虑铰链非线性所产生的影响,基于连接子结构模态综合建模方法,建立其低阶非线性动力学模型。在此基础上,将动力学模型转换为分散参数化模型,并考虑状态变量不完全可测因素,设计适用于一致性理论的最优观测器。然后基于图论的思想提出桁架式天线的一致性形面保持控制方法,不仅实现了桁架式天线的高精度形面保持控制,同时对作动执行机构的失效具有容错性。仿真结果表明了所提控制方法的有效性。     

Impact vibration reduction for flexible manipulators via controllable local degrees of freedom

When performing operation tasks, the interaction between a flexible manipulator and a grasped object usually results in an impact. In this paper, a new way is suggested to alleviate impact vibration of a flexible manipulator via its structural characteristic when capturing a moving object. Controllable local degrees of freedom are introduced to the topological structure of the flexible manipulator, and used as an effective tool to combat impact vibration through dynamic coupling. A corresponding method is put forward to reduce impact vibration responses of the flexible manip- ulator via the controllable local degrees of freedom. By planning motion of the controllable local degrees of freedom, appropriate control force can be constructed to increase the modal damping and stiffness and eliminate the exciting force simultaneously, thereby reducing impact vibration responses of the flexible manipulator. Simulations are conducted and results are shown to prove the presented method.     

Parameter optimization of controllable local degree of freedom for reducing vibration of flexible manipulator

 Parameter optimization of the controllable local degree of freedom is studied for reducing vibration of the flexible manipulator at the lowest possible cost. The controllable local degrees of freedom are suggested and introduced to the topological structure of the flexible manipulator, and used as an effective way to alleviate vibration through dynamic coupling. Parameters introduced by the controllable local degrees of freedom are analyzed and their influences on vibration reduction are investigated. A strategy to optimize these parameters is put forward and the corresponding optimization method is suggested based on Particle Swarm Optimization (PSO). Simulations are conducted and results of case studies confirm that the proposed optimization method is effective in reducing vibration of the flexible manipulator at the lowest possible cost.     

单连杆柔性臂模糊控制

以单连杆柔性臂为例,提出了模糊控制与最优控制相结合的混合控制方法。首先,采用奇异摄动将系统分为慢变和快变两个子系统。然后,对慢变子系统采用模糊控制,快变子系统采用最优控制。仿真结果表明,该方法不仅能实现柔性臂轨迹的快速、准确跟踪,有效地抑制弹性振动,并且对负载的变化具有强的鲁棒性。     

基于混合规划策略的自由漂浮冗余机械臂减振运动规划(英文)

对自由漂浮柔性冗余机械臂系统的减振运动规划问题进行研究。首先,采用拉格朗日方法建立系统的动力学模型,并给出了减振运动规划的模型。其次,提出一种基于高斯伪谱法与直接打靶法的混合规划策略,用于求解运动规划问题。先利用高斯伪谱法将运动规划问题转化为一个非线性参数优化问题,并用遗传算法确定近似解,随后利用直接打靶法建立优化模型,将得到的近似解作为优化变量的初值,并采用序列二次规划算法求得精确解。最后,对算例进行分析,验证了基于混合规划策略得到的关节运动轨迹能够明显减小柔性臂杆的全局振动以及残余振动。数值计算的结果表明该方法对减振运动规划问题的求解是有效且稳定的。     

Dynamic modeling and beating phenomenon analysis of space robots with continuum manipulators

Space robotics has been used extensively in complex space missions. Rigid-manipulator space robots may suffer from rigid-body collisions with targets. This collision is likely to cause damage to the space robot and the target. To overcome such a problem, a novel Continuum-Manipulator Space Robot (CMSR) for performing on-orbit servicing missions is proposed in this paper. Compared with rigid-manipulator space robots, CMSRs are able to perform compliant operations and avoid rigid-body collisions with a target. The CMSR consists of two kinds of flexible components, including solar arrays and continuum manipulators. The elastic vibrations of these flexible components disturb the position and attitude of CMSRs. The beating phenomenon introduced by the energy transfer among these flexible components can cause damage to solar arrays. The complicated dynamic coupling poses enormous challenges in dynamic modeling and vibration analysis. The dynamic model for CMSRs is derived and the mechanism of the beating phenomenon is analyzed in this paper. Simulation results show that an obvious beating phenomenon occurs and the amplitude of the solar arrays increases significantly when the natural frequencies of two kinds of flexible components are close. A method is provided to avoid the beating phenomenon.     

A modified forward and backward reaching inverse kinematics based incremental control for space manipulators

Forward and backward reaching inverse kinematics (FABRIK) is an efficient two-stage iterative solver for inverse kinematics of spherical-joint manipulator without the calculation of Jacobian matrix. Based on FABRIK, this paper presents an incremental control scheme for a free-floating space manipulator consists of revolute joints and rigid links with the consideration of joint constraints and dynamic coupling effect. Due to the characteristics of FABRIK, it can induce large angular movements on specific joints. Apart from that, FABRIK maps three dimensional (3D) problem into two dimensional (2D) problem by a simple geometric projection. This operation can cause infinite loops in some cases. In order to overcome these issues and apply FABRIK on space manipulators, an increments allocation method is developed to constrain the angular movements as well as to re-orient the end-effector. The manipulator is re-positioned based on the momentum conservation law. Instead of pure target position tracking, the orientation control of the end-effector is also considered. Numerical simulation is performed to testify and demonstrate the effectiveness and reliability of the proposed incremental control approach.     

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。     

柔性冗余度机器人改善频率特性的研究

对改善柔性冗余度机器人的频率特性进行了研究。首先分析了影响柔性机器人固有频率的因素,得出了在结构参数不变的情况下可以通过适当调整关节运动参数来提高机器人固有频率的结论。然后分析了机器人的自运动与关节运动参数之间的关系。在此基础上,提出了在保证末端名义运动不变的情况下通过规划柔性冗余度机器人的自运动调整关节运动参数来提高系统的固有频率,以避开动力奇异并改善机器人动态性能的方法,此外给出了相应的优化算法。最后通过数值仿真验证了该方法的有效性。     

基于机敏材料的冗余度柔性机器人复模态主动控制

研究了基于机敏材料的冗余度柔性机器人的振动主动控制问题。应用复模态理论对机器人的动力学方程进行解耦 ,建立了受控系统的状态空间表达式。利用极小值原理设计了连续LQR状态反馈控制器 ,并根据对偶原理设计了具有指定稳定度的Luenberger全维状态观测器。平面 3R冗余度柔性机器人的仿真算例表明 ,该方法可以显著改善受控系统的动力学性能。     

挠性航天器大角度机动的滑模变结构控制

考虑刚性主体上带有挠性梁的航天器，在建立挠性系统动力学模型的基础上，采用指数趋近率的滑模变结构控制策略进行大角度机动控制，并通过最优控制理论设计弹性稳态器抑制由于刚体运动而激发的弹性振动，数字仿真表明，提出的控制策略在实现旋转机动的同时，有效地抑制了弹性振动。     

柔性天线面对漂浮基星载天线扰动分析及抑制

 为了研究柔性天线面弹性变形对漂浮基星载天线的扰动,采用固定界面模态综合法和Lagrange方法,通过轴末端与天线面交界面的协调关系,推导了大范围运动的星载天线刚柔耦合动力学模型,其所建立的动力学模型计算效率高并具有足够的精度。分析了柔性天线面弹性变形对星载天线的扰动,利用PD+振动力反馈控制抑制系统振动,并基于Lyapunov方法证明了控制系统的渐近稳定性。仿真结果表明：天线工作过程激起了柔性天线面弹性振动,进而引起星载天线的抖动,严重影响了星载天线的指向精度;利用其控制策略能快速抑制系统振动。结论对天线指向精度的分析与控制具有重要的理论价值及工程实际意义。     

宏观机敏机构的振动主动控制

研究了具有压电作动器与应变传感器的柔性连杆机构的振动主动控制问题。应用复模态理论对宏观机敏机构的动力学方程进行解耦,建立了包含系统噪声与观测噪声的受控系统状态空间表达式,并分别设计了离散LQG状态反馈控制器与离散Kalma。滤波器。宏观机敏机构的在线振动控制实验表明,柔性连杆的应变峰值降低了80％,机构的动力学性能得到了显著改善。     

欠驱动机械臂的光滑时变指数稳定

 针对一般欠驱动机械臂的运动规划和控制问题进行研究。从二阶漂移非完整约束系统的一般控制模型出发，基于李代数扩展理论，提出了二阶非完整约束系统的光滑多项式扩展概念，并进一步提出了一种二阶漂移非完整约束系统控制的指数稳定控制方法。针对欠驱动机械臂中从动关节不多于主动关节的情况，给出了一个指数稳定控制定理，并以平面2R和3R欠驱动机械臂进行了仿真。仿真结果证明了提出的指数稳定控制方法的有效性。     

Identification of the state-space model and payload mass parameter of a flexible space manipulator using a recursive subspace tracking method

The on-orbit parameter identification of a space structure can be used for the modification of a system dynamics model and controller coefficients. This study focuses on the estimation of a system state-space model for a two-link space manipulator in the procedure of capturing an unknown object, and a recursive tracking approach based on the recursive predictor-based subspace identification (RPBSID) algorithm is proposed to identify the manipulator payload mass parameter. Structural rigid motion and elastic vibration are separated, and the dynamics model of the space manipulator is linearized at an arbitrary working point (i.e., a certain manipulator configuration). The state-space model is determined by using the RPBSID algorithm and matrix transformation. In addition, utilizing the identified system state-space model, the manipulator payload mass parameter is estimated by extracting the corresponding block matrix. In numerical simulations, the presented parameter identification method is implemented and compared with the classical algebraic algorithm and the recursive least squares method for different payload masses and manipulator configurations. Numerical results illustrate that the system state-space model and payload mass parameter of the two-link flexible space manipulator are effectively identified by the recursive subspace tracking method.