柔性冗余度机器人动力学规划

考虑机器人的结构柔性,研究了利用冗余度机器人的"自运动"同时进行振动抑制和机器人关节力矩优化的方法.研究表明,在进行柔性冗余度机器人的动力学优化时,应从振动和关节力矩两方面考虑.若单考虑振动抑制,机器人的关节力矩将可能无穷增大,使算法失效;若单考虑关节力矩优化,机器人臂末端的振动将有可能发散.这里给出的算法同时考虑了这两方面.不同于冗余度机器人传统的优化方法--机器人雅克比矩阵的零空间优化法,这里从最优控制论的方法着手,研究了考虑结构变形的冗余度机器人利用其自身的"自运动"进行振动抑制和关节力矩优化.仿真结果,证明了这种优化方法是完全可行的.     

三连杆平面欠驱动机械臂系统的最优运动规划

研究了在两固定端点之间运动的三连杆平面欠驱动机械臂的最优运动规划问题.该机械臂有两个受驱动的移动关节,而第三个关节是一个既无驱动器又无制动器的被动关节.施加在自由运动连杆上的动力学约束是一个二阶非完整约束.通过坐标和输入变换,系统的状态和输入变量被表示为子状态变量的高阶导数形式;通过这些新的子状态变量,将一个受约束的动力学优化问题变成一个无约束的优化问题.利用变分法原理,推导出满足优化问题的必要条件.给出了PPR型平面欠驱动机械臂最优运动规划的数值算例.      

具有未知载荷参数的漂浮基空间机械臂姿态、关节协调运动的模糊自适应补偿控制

讨论了载体姿态受控、位置不受控制情况下, 漂浮基空间机械臂载体姿态及机械臂 关节协调运动的控制问题. 利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系, 建立了漂浮基空间机械臂完全能控形式的系统动力学方程. 以此为基础, 针对空间机械臂末 端爪手所持载荷参数未知的情况, 设计了一种基于标称计算力矩控制器附加模糊自适应补偿控制器的复合控制方案, 即通过模糊自适应补偿控制器来弥补系统未知参数对标称计算力矩控制器的影响, 以确保存在未知系统参数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控制漂浮基空间机械臂的载体姿态及机械臂关节, 可以协调地完成期望的轨迹运动, 并具有不需要反馈和测量空间机械臂载体 的位置、移动速度、移动加速度, 同时也不要求系统动力学方程关于系统惯性参数呈线性函数关系的显著优点. 通过系统数值仿真证实了方法的有效性.      

漂浮基空间机械臂姿态、关节协调运动的模糊小波神经网络控制

讨论了本体姿态受控、位置不受控制的漂浮基空间机械臂系统协调运动的动力学控制问题. 根据系统位置几何关系、动量守恒关系和第二类拉格朗日方程, 建立漂浮基空间机械臂系统的动力学方程. 在此基础上, 针对系统参数未知的情况, 设计了一种采用小波基函数作为模糊隶属度函数的模糊神经网络控制器, 以控制空间机械臂的本体姿态和机械臂两关节铰协调地完成各自在关节空间的期望运动. 其特点是不要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系, 甚至不需要知道系统参数;而且网络权值是采用反向传播算法根据误差进行在线学习, 使模糊神经网络获得更强的自学习和自适应能力, 同时也节省了离线学习的时间. 系统数值仿真的结果证实上述控制方案是行之有效的.      

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.     

双臂空间机器人姿态调整运动的最优控制规划

讨论了双臂空间机器人系统姿态调整运动的最优控制规划问题.以多体动力学理论为基础,导出了载体位置、姿态均不受控制情况下,双臂空间机器人系统的动量矩守恒关系,并将其转化为系统状态方程;利用近似优化方法给出了一种双臂空间机器人姿态、关节协调运动的最优控制算法.其优点在于,仅控制双臂空间机器人的关节运动,即可同时获得载体姿态及机械臂关节需要的终端位置.系统数值仿真,证实了算法的有效性.      

双臂空间机器人关节运动的一种增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制情况下,漂浮基双臂空间机器人系统的控制问题.结合系统动量守恒关系进行的运动学、动力学分析表明,可以得到一组与适当选择的惯性参数呈线性函数关系的、欠驱动形式的系统动力学方程.以此为基础,并采用增广变量的思想,克服了通常情况下,空间机器人系统动力学方程关于系统惯性参数呈非线性关系的难点,针对双臂空间机器人末端爪手所持载荷参数不确定,但误差范围可确定的情况,设计了漂浮基双臂空间机器人关节运动的变结构鲁棒控制方案.该控制方案的优点在于,不需要反馈、测量漂浮基的位置、移动速度及移动加速度;与自适应控制方案相比,化积分运算为简单四则运算,计算量大为减少,有利于实时应用.通过对一个平面双臂空间机器人系统的数值仿真,证实了算法的有效性.      

柔性基座冗余机械臂的最优反作用控制

针对柔性基座冗余机械臂的末端轨迹跟踪问题，提出一种反作用最优控制方法，该算法将轨迹跟踪视为高优先级任务，而反作用优化控制在高优先级任务零空间内进行。由于冗余机械臂的自运动能在不影响末端运动的前提下改变关节运动，利用冗余机械臂的自运动消除振动系统中的低阶模态力，使机械臂在完成轨迹跟踪的同时激起的弹性振动大幅减小，从而提高了系统的稳定性。以平面3自由度柔性基座机械臂和空间7自由度柔性基座机械臂为例进行数值仿真，证实了方法的有效性。     

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.      

高频激励下旋转柔性臂逆动力学模态自适应方法研究

在空间柔性机械臂的动力学与控制问题中,逆动力学求解常要求有较高的计算速度.当柔性多体系统受到高频激励时,必须考虑高阶模态才能保证足够的计算精度,但同时提高了计算自由度数,降低了计算速度.为了提高此类问题的计算效率,本文将模态自适应策略应用于旋转柔性臂逆动力学建模,计算了高频激励下产生期望旋转运动的柔性臂关节驱动力矩,验证了该方法的有效性,并研究了重力对计算结果的影响.      

Optimal trajectory planning of free-floating space manipulator using differential evolution algorithm

The existence of the path dependent dynamic singularities limits the volume of available workspace of free-floating space robot and induces enormous joint velocities when such singularities are met. In order to overcome this demerit, this paper presents an optimal joint trajectory planning method using forward kinematics equations of free-floating space robot, while joint motion laws are delineated with application of the concept of reaction null-space. Bézier curve, in conjunction with the null-space column vectors, are applied to describe the joint trajectories. Considering the forward kinematics equations of the free-floating space robot, the trajectory planning issue is consequently transferred to an optimization issue while the control points to construct the Bézier curve are the design variables. A constrained differential evolution (DE) scheme with premature handling strategy is implemented to find the optimal solution of the design variables while specific objectives and imposed constraints are satisfied. Differ from traditional methods, we synthesize null-space and specialized curve to provide a novel viewpoint for trajectory planning of free-floating space robot. Simulation results are presented for trajectory planning of 7 degree-of-freedom (DOF) kinematically redundant manipulator mounted on a free-floating spacecraft and demonstrate the feasibility and effectiveness of the proposed method.     

高速柔性转子系统动力特性稳健设计方法

高速柔性转子系统为控制其转子变形和多阶临界转速分布,常采用多支点支承方案,而转子-支承结构力学参数的分散性,使得转子动力特性设计成为多变量多目标非确定性优化问题。通过Lagrange法建立柔性转子运动方程,定义罚函数以定量描述多阶临界转速的分布特征,采用区间数学分析方法和遗传算法结合的方式,建立了基于临界转速分布特征优化及连接结构刚度损失控制的转子系统动力特性稳健设计方法。算例表明,通过将多阶临界转速集中于一定转速区间,并控制连接结构弯曲应变能分布比例,可有效减小转子通过多阶临界转速时的振动响应,降低转子动力特性对连接结构受力状态变化的敏感度,提高高速柔性转子系统动力特性的稳健性。      

行星采样柔性机械臂运动规划研究

为适应行星表面较大范围的采样要求及系统减重的需求,采样机械臂通常是细长形臂杆加多关节组成的连杆型关节机械臂,这使得抑制柔性振动成为机械臂控制系统的研究重点。针对采样机械臂的工作过程,提出带抛物线过渡的平滑轨迹规划方法,即在运动过程中使加速度连续,避免关节转动的力矩突变,并且最大限度降低峰值。首先建立基于D-H法的机械臂运动学方程,然后在考虑臂杆及关节柔性的动力学模型环境下,进行变加速—匀速—变减速的笛卡尔空间加速度连续平滑轨迹规划运动,达到减小柔性臂振动、提高定位精度的目的。仿真结果表明,在运动规划中引入抛物线过渡的加速度连续环节、降低加速度冲击可以明显改善运动平稳性,对提高动态跟踪精度有直接作用。     

Motion prediction of an uncontrolled space target

Capturing an uncontrolled space target is a tremendously challenging research topic. Target capture by a space robot can be well planned according to predicted motion of the target. In this paper, motion prediction of an uncontrolled space target is studied and a motion prediction algorithm is proposed. In the proposed algorithm, firstly a method for identifying the parameters of motion state and inertial property of the target is established; and then through substituting the identified parameters into the dynamic equations of the target, the motion of the target can be predicted as the solution of the equations. In the identification of the parameters, the unscented Kalman filter (UKF) is applied. In order to support the UKF, a method for estimating noise level of the observation data is developed, so our motion prediction algorithm is noise adaptive. A practical convergent criterion is also designed to determine the time when the estimated result of the UKF is accurate enough, such that the predicted motion is credible enough. After that, the accuracy of the prediction is further improved by an optimization method. In the end of this paper, numerical simulations are done to verify the validity of the proposed motion prediction algorithm. Simulation results indicate that the proposed algorithm is able to predict the motion of the target precisely.     

Motion prediction of a non-cooperative space target

Capturing a non-cooperative space target is a tremendously challenging research topic. Effective acquisition of motion information of the space target is the premise to realize target capture. In this paper, motion prediction of a free-floating non-cooperative target in space is studied and a motion prediction algorithm is proposed. In order to predict the motion of the free-floating non-cooperative target, dynamic parameters of the target must be firstly identified (estimated), such as inertia, angular momentum and kinetic energy and so on; then the predicted motion of the target can be acquired by substituting these identified parameters into the Euler’s equations of the target. Accurate prediction needs precise identification. This paper presents an effective method to identify these dynamic parameters of a free-floating non-cooperative target. This method is based on two steps, (1) the rough estimation of the parameters is computed using the motion observation data to the target, and (2) the best estimation of the parameters is found by an optimization method. In the optimization problem, the objective function is based on the difference between the observed and the predicted motion, and the interior-point method (IPM) is chosen as the optimization algorithm, which starts at the rough estimate obtained in the first step and finds a global minimum to the objective function with the guidance of objective function’s gradient. So the speed of IPM searching for the global minimum is fast, and an accurate identification can be obtained in time. The numerical results show that the proposed motion prediction algorithm is able to predict the motion of the target.     

空间机械臂关节电流环预测控制研究

空间机械臂是空间在轨服务的重要执行机构,关节伺服控制性能在很大程度上影响着机械臂操控性能.电流环是关节多控制环嵌套结构的最内层,针对高性能关节伺服控制系统对电流环动态响应快、超调量小和参数鲁棒性强的要求,本文提出一种高阶形式的无差拍电流预测控制方法,仿真结果表明：相比PI调节器,该方法极大提升了系统带宽,可使电流环动态响应速度逼近数字控制系统中的理论上限;相比传统无差拍控制方法,该方法对于电机电阻与磁链参数变化具有更强的适应性,在参数失配的条件下具有更好的动态与稳态性能.     

多目标位姿约束下空间机器人载体姿态扰动优化

通过运行轨迹的优化设计来减小空间机械臂运动对其基座姿态产生的扰动影响是一种经济有效的方式, 然而针对笛卡儿空间内多个离散位姿约束条件下空间机械臂运动轨迹的优化设计研究相对较少. 通过改进样条函数对机械臂末端运行轨迹进行参数化设计, 将基座姿态的扰动量表达为关于样条函数控制点与相邻约束点之间运行时间的目标函数, 利用遗传算法对目标函数进行全局优化处理, 完成空间机械臂运行轨迹的优化设计. 仿真结果表明, 该方法能有效降低机械臂运动对基座姿态产生的扰动, 并且规划的关节运动轨迹二次连续可微.      

星载天线展开过程立体视觉动态测量技术

介绍了基于立体视觉原理的星载天线动态展开过程测量方法,通过基于标准长度的标定方法、双目立体视觉交会坐标解算和动态多目标点识别跟踪等关键技术的研究,实现了对可展开天线各关节点在展开过程中的三维运动轨迹的测量,并实现了试验验证。试验结果表明,该方法可获得各关节点在不同时刻的三维点坐标,解算出展开运动的运动速度、加速度和展开后的面型等参数,为大型可展开天线柔性机构设计、动力学分析和展开可靠性分析等提供必要的参考。