基于干扰观测器的柔性关节空间机器人退步自适应控制

研究了载体位置、姿态均不受控的情况下,系统参数不确定的柔性关节空间机器人轨迹跟踪的控制问题.结合系统动量、动量矩守恒关系,利用拉格朗日法推导出系统的动力学模型.为减小系统柔性关节对系统控制精度的影响,采用关节柔性补偿器来等效降低系统关节的柔性.再借助奇异摄动法,针对系统参数不确定的情况,设计了柔性关节空间机器人基于干扰观测器的退步自适应滑模控制方案.该方案不需要对系统惯性参数进行线性化处理,控制器结构简单,且实现了空间机器人期望轨迹的精确跟踪控制.通过平面两杆空间机器人的数值仿真证明了该方法的有效性.     

基于非线性级联系统的弹性关节空间机器人新型滑模控制

研究了双臂弹性关节空间机器人的改进型非线性干扰观测器(nonlinear disturbance observer,NDO)设计、新型自适应动态终端滑模控制和弹性振动抑制问题。首先,考虑空间机器人的关节弹性,基于非线性级联系统的结构建立弹性关节空间机器人模型,分为外环机械臂动力学和内环关节动力学,具有渐近稳定性。针对外环机械臂动力学模型,设计基于改进型NDO的新型自适应动态终端滑模控制算法。针对内环关节动力学模型,设计力矩反馈控制算法来抑制弹性关节振动。本文提出的基于非线性级联系统的自适应动态终端滑模控制算法具有良好的动态特性及较强的鲁棒性,可在关节柔性刚度较小情况下,快速完成弹性关节振动抑制,实现空间机器人轨迹的精确跟踪。系统仿真试验证明了本文控制算法的正确性。     

全弹性平面运动机器人的高精度运动控制和振动抑制算法研究

为实现对基座、关节和臂均存在弹性的空间机器人运动高精度控制及多重振动抑制,建立了基座、关节和臂全弹性空间机器人动力学模型,并采用运动有限维PD重复学习控制及振动同步抑制方案进行研究.首先,利用线性弹簧、扭转弹簧和欧拉-伯努力梁理论,假设模态法和动量守恒定律,采用拉格朗日方程建立了弹性基座、柔性关节和柔性臂空间机器人动力学模型,之后,选取反映柔性臂振动的前两阶模态及基座和关节刚性运动变量为慢变子变量,选取基座和关节弹性振动变量为快变子变量,根据奇异摄动理论将系统降维分解成慢、快变子系统.最后设计了慢变子系统的运动有限维PD重复学习控制及快变子系统的线性最优双重减振控制构成的总控制器.数值仿真结果验证了算法的有效性.     

柔性关节-柔性臂空间机器人的神经网络自适应反演控制及双重柔性振动抑制

空间机器人系统的柔性主要体现在空间机器人的臂杆和连接各臂杆之间的铰关节。由于空间机器人系统结构的复杂性,以往研究人员对同时具有柔性关节和柔性臂的系统关注不够。为此探讨了参数未知柔性关节-柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、轨迹跟踪控制算法设计和关节、臂杆双重柔性振动的主动抑制问题。首先,采用多体动力学建模方法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,推导了系统的动力学方程。以此为基础,考虑到空间机器人实际应用中各关节铰具有较强柔性的情况,引入一种关节柔性补偿控制器解决了传统奇异摄动法应用受关节柔性限制问题,导出了适用于控制系统算法设计的数学模型。然后,利用该模型,基于反演思想在慢时标子系统中设计神经网络自适应控制算法来补偿系统参数未知和柔性关节引起的转动误差,实现系统运动轨迹跟踪性能;针对快时标子系统,设计了鲁棒最优控制算法抑制因柔性关节及柔性臂引起的系统双重弹性振动,保证系统的稳定性。最后,通过仿真对比实验验证了所设计控制算法的有效性。     

空间机器人执行器自适应分散容错控制算法设计

针对执行器发生部分失效故障的漂浮基空间机器人系统,提出了一种自适应H_∞分散容错控制算法。利用拉格朗日第二类方程建立了系统的动力学模型。根据分散原理将系统分解为以基座或臂杆为单元的多个子系统,并将表示执行器控制能力的有效因子融入到每个子系统,使得单个子系统的执行器故障不会影响相邻执行器的正常运行。通过对每个故障子系统设计形式一致的自适应容错算法实现对整个系统的容错控制。仿真结果表明,与现有某非奇异终端滑模容错算法相比,本文算法具有更快的跟踪速度和更高的跟踪精度。     

空间连续型机器人自适应鲁棒容错控制

针对空间连续型机器人系统三臂节执行器并发故障的问题,提出一种自适应鲁棒容错控制算法.采用非奇异快速终端滑模控制器,并通过自适应RBF(Radial Basis Function)神经网络在线调整控制器的切换项增益,使控制器在模型参数摄动和外部干扰下依旧具有较高的跟踪精度和较强的鲁棒性.基于Lyapunov稳定性理论,证明了该控制器可以保证整个系统的渐进稳定性.仿真结果验证了本文算法的有效性.     

全柔性空间机器人运动振动一体化输入受限重复学习控制

探究基座、臂、关节全柔性影响下空间机器人动力学模拟、运动控制及基座、臂、关节三重柔性振动主动抑制的问题,设计了不基于系统模型信息的运动振动一体化输入受限重复学习控制算法.将柔性基座与关节等效为线性弹簧与扭转弹簧,柔性臂视为欧拉-伯努利梁模型,利用拉格朗日方程与假设模态法建立动力学模型,然后,用奇异摄动理论将模型分解为包含刚性变量与臂柔性振动的慢变子系统,包含基座、关节柔性振动的快变子系统,并分别设计相应的子控制器,构成了带关节柔性补偿的一体化控制算法.针对慢变子系统,提出输入受限重复学习控制算法,由双曲正切函数,饱和函数与重复学习项构成,双曲正切函数与饱和函数实现输入力矩受限要求,重复学习项补偿周期性系统误差,以完成对基座姿态、关节铰周期轨迹的渐进稳定追踪.然而,为了同时抑制慢变子系统臂的柔性振动,运用虚拟力的概念,构造同时反映臂柔性振动与系统刚性运动的混合轨迹,提出了基于虚拟力概念的输入受限重复学习控制器,保证基座、关节轨迹精确追踪的同时,对臂的柔性振动主动抑制.针对快变子系统,采用线性二次最优控制算法抑制基座与关节的柔性振动.仿真结果表明:控制器适用于一般柔性非线性系统,满足输入力矩受限要求,实现对周期信号的高精度追踪,有效抑制基座、臂、关节的柔性振动,证实算法的可行性.     

全柔性空间机器人运动振动一体化输入受限重复学习控制

探究基座、臂、关节全柔性影响下空间机器人动力学模拟、运动控制及基座、臂、关节三重柔性振动主动抑制的问题, 设计了不基于系统模型信息的运动振动一体化输入受限重复学习控制算法. 将柔性基座与关节等效为线性弹簧与扭转弹簧, 柔性臂视为欧拉-伯努利梁模型, 利用拉格朗日方程与假设模态法建立动力学模型, 然后, 用奇异摄动理论将模型分解为包含刚性变量与臂柔性振动的慢变子系统, 包含基座、关节柔性振动的快变子系统, 并分别设计相应的子控制器, 构成了带关节柔性补偿的一体化控制算法. 针对慢变子系统, 提出输入受限重复学习控制算法, 由双曲正切函数, 饱和函数与重复学习项构成, 双曲正切函数与饱和函数实现输入力矩受限要求, 重复学习项补偿周期性系统误差, 以完成对基座姿态、关节铰周期轨迹的渐进稳定追踪. 然而, 为了同时抑制慢变子系统臂的柔性振动, 运用虚拟力的概念, 构造同时反映臂柔性振动与系统刚性运动的混合轨迹, 提出了基于虚拟力概念的输入受限重复学习控制器, 保证基座、关节轨迹精确追踪的同时, 对臂的柔性振动主动抑制. 针对快变子系统, 采用线性二次最优控制算法抑制基座与关节的柔性振动. 仿真结果表明: 控制器适用于一般柔性非线性系统, 满足输入力矩受限要求, 实现对周期信号的高精度追踪, 有效抑制基座、臂、关节的柔性振动, 证实算法的可行性.      

基于虚拟力概念的柔性臂空间机器人模糊退步自适应控制算法设计

讨论了漂浮基柔性臂空间机器人系统的动力学模拟、运动轨迹跟踪控制算法设计及柔性振动主动抑制。采用多体动力学建模方法并结合假设模态法,建立了漂浮基柔性臂空间机器人的系统动力学模型。基于该模型,针对系统惯性参数未知情况,提出了刚性运动基于模糊基函数网络自适应调节的退步控制算法,以完成柔性臂空间机器人载体姿态及机械臂各关节铰的协调运动。然后,为了主动抑制系统柔性振动,运用虚拟力的概念,构造了同时反映柔性模态和刚性运动轨迹的混合期望轨迹,通过改造原有的控制算法,提出了基于虚拟力概念的模糊退步自适应控制算法;这样不但保证了之前刚性运动控制方案对模型不确定的鲁棒性,而且能主动抑制柔性振动,从而提高了轨迹跟踪性能。理论分析及数值仿真算例均表明了控制方法的可行性。     

空间机器人执行器自适应分散容错控制算法设计

针对执行器发生部分失效故障的漂浮基空间机器人系统,提出了一种自适应H_∞分散容错控制算法。利用拉格朗日第二类方程建立了系统的动力学模型。根据分散原理将系统分解为以基座或臂杆为单元的多个子系统,并将表示执行器控制能力的有效因子融入到每个子系统,使得单个子系统的执行器故障不会影响相邻执行器的正常运行。通过对每个故障子系统设计形式一致的自适应容错算法实现对整个系统的容错控制。仿真结果表明,与现有某非奇异终端滑模容错算法相比,本文算法具有更快的跟踪速度和更高的跟踪精度。     

漂浮基双臂空间机器人姿态与末端抓手惯性空间轨迹协调运动的模糊滑模控制

本文讨论了载体姿态受控、位置不受控制的双臂空间机器人系统的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性系统动力学模型.以此为基础,考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构控制理论,设计了双臂空间机器人载体姿态与两机械臂末端抓手惯性空间轨迹协调运动的滑模变结构控制方案.为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振.系统数值仿真,证明了上述控制方案良好的控制效果.     

基座弹性影响下空间机械臂的轨迹跟踪控制及弹性振动主动抑制

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置无控、姿态受控的漂浮基空间机械臂惯性空间轨迹跟踪控制及基座弹性振动主动抑制问题.由系统位置几何关系及动量守恒关系,建立了系统运动Jacobi关系;之后利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系建立了系统动力学方程.基于奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将该方程分解为描写系统刚性运动的慢变子系统与描写系统弹性振动的快变子系统.对慢变子系统设计了基于计算力矩法的轨迹跟踪控制器;对于快变子系统则设计了线性二次最优控制方案.数值仿真证实了提出的控制方法的有效性.     

TRAJECTORY TRACKING CONTROL AND VIBRATION SUPPRESSION OF SPACE-BASED ROBOT WITH ELASTIC FOUNDATION

讨论了基座存在弹性情况下,载体位置无控、姿态受控的漂浮基空间机械臂惯性空间轨迹跟踪控制及基座弹性振动主动抑制问题。由系统位置几何关系及动量守恒关系,建立了系统运动Jacobi 关系;之后利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系建立了系统动力学方程。基于奇异摄动理论的两种时间尺度假设,将该方程分解为描写系统刚性运动的慢变子系统与描写系统弹性振动的快变子系统。对慢变子系统设计了基于计算力矩法的轨迹跟踪控制器;对于快变子系统则设计了线性二次最优控制方案。数值仿真证实了提出的控制方法的有效性。     

基于变形场不同离散方法的柔性机器人动力学建模与仿真

研究了基于变形场不同离散方法的柔性机器人动力学建模和仿真问题. 针对多杆空间链式柔性机器人系统,采用假设模态法、有限元法、Bezier 插值方法和B 样条插值方法对柔性杆变形场进行描述,构造统一形式,运用Lagrange 方法,结合4×4 齐次变换矩阵,在计入柔性杆横向弯曲变形引起的纵向缩短的情况下,推导得到多杆空间柔性机器人动力学方程,并编制基于4 种变形场不同离散方法的多杆空间链式柔性机器人仿真软件.通过仿真算例对柔性机器人系统的动力学问题进行研究. 仿真结果表明:有限元法的计算效率较低;假设模态法在处理较大变形问题时其精度低于Bezier 插值方法和B 样条插值方法的精度;作为新的变形体离散方法,Bezier 插值方法和B 样条插值方法可以有效地描述柔性杆的变形场,并能运用到多杆空间柔性机器人动力学建模中.      

航天器有限时间饱和姿态跟踪控制

针对刚体航天器系统,对存在模型不确定性、外界干扰力矩和控制器饱和等条件下的姿态跟踪控制问题进行了研究。首先,考虑未知模型不确定性和外界干扰,且总干扰上界为未知常数,结合快速非奇异终端滑模、快速终端滑模趋近律以及辅助系统构造了基本的鲁棒有限时间饱和控制器,并通过辅助系统直接补偿了控制器饱和;其次,针对系统总干扰具有多项式上界的情形,进一步结合自适应控制算法,对其上界函数中的未知参数进行在线估计,并设计了自适应有限时间饱和控制器。同时,基于Lyapunov稳定性理论证明了所提出控制算法的有限时间收敛特性。最后,通过数值仿真验证所提出控制算法的控制效果,在两种控制器作用下姿态的跟踪精度分别为5×10-5和1×10-5,证明了所提出控制算法的有效性。     

漂浮基柔性空间机器人的鲁棒控制及振动抑制

讨论了漂浮基柔性空间机器人系统的动力学建模、运动控制算法设计以及关节、臂双重柔性振动的分级主动抑制问题. 利用系统动量、动量矩守恒关系和拉格朗日-假设模态法对系统进行动力学分析,建立系统动力学方程. 基于奇异摄动法,将系统分解为表示系统刚性运动部分的慢变子系统, 表示由柔性臂引起的系统柔性运动部分的快变子系统1和表示由柔性关节引起的系统柔性运动部分的快变子系统2. 针对慢变子系统提出一种鲁棒控制方法来补偿系统参数的不确定性和柔性关节引起的转动误差,实现系统期望运动轨迹的渐近跟踪;针对快变子系统1采用线性二次型最优控制器来抑制由柔性臂引起的系统柔性振动;针对快变子系统2设计了基于机械臂和电机转子的转角速度差值的反馈控制器来抑制由柔性关节引起的系统柔性振动. 因此,系统的总控制律为以上3个子系统控制律的综合. 最后通过仿真实验证明了所提出的混合控制方法的有效性.      

基于状态观测的双臂空间机器人分散容错控制

针对关节执行器发生部分失效故障的双臂空间机器人系统的控制问题,设计了一种基于状态观测器的自适应分散神经网络容错控制器。结合拉格朗日第二类方法建立了空间机器人系统的动力学方程。根据分散理论将空间机器人执行器故障的容错问题转化为参数不确定的非线性交联系统的自适应控制问题。利用状态观测器得到了系统的角速度信号,通过自适应分散神经网络对系统的不确定项与交联项进行估计。基于Lyapunov函数法给出了观测器与控制器的稳定性判据。数值仿真表明,无论执行器是否发生故障,该控制器均可以在2 s内实现高精度的轨迹跟踪控制,且观测器均能精准地估计关节的实际角速度信号,从而验证了理论分析的正确性与算法的可行性。     

基于有限时间收敛的双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制

针对双臂空间机器人捕获卫星主动对接力/位姿阻抗控制进行了研究. 为防止捕获过程中机械臂末端执行器与卫星接触、碰撞时产生的冲击载荷对机器人关节造成冲击破坏, 在各关节电机与机械臂之间加入了一种弹簧阻尼缓冲机构. 该机构可通过弹簧实现冲击力矩的卸载, 阻尼器则用于因弹簧引起的柔性振动的抑制. 为解决捕获过程中的非完整动力学约束及捕获后混合体系统的协调控制问题, 结合牛顿第三定律、捕获点的速度约束及闭链几何约束, 获得捕获后混合体系统的动力学方程, 且通过动量守恒关系计算碰撞冲击效应与碰撞冲击力. 通过分析对接装置在载体坐标系下的运动学关系, 建立对接装置相对载体的运动雅可比矩阵, 并基于此建立基于力的二阶线性阻抗模型, 实现对接装置输出力的精确控制. 考虑到主动对接操作过程要求控制器具有收敛速度快, 控制精度高的特点, 通过结合终端滑模与超扭滑模的特点, 提出一种非奇异快速终端滑模阻抗控制策略. 该策略即能实现主动对接操作中位姿与输出力的快速响应, 又能有效地抑制滑模的抖振以保证控制精度. 通过Lyapunov定理证明系统的稳定性; 利用数值模拟验证缓冲装置的抗冲击性能及所提阻抗控制策略的有效性.      

存在关节死区的空间机器人无扰快速终端滑模控制

针对机械臂一般操作过程中运动学的非完整特性进行运动规划时没有考虑机械臂与待抓取目标之间的关系与关节的实际特性, 研究了存在关节死区的漂浮基平面三连杆空间机械臂拦截目标前最后阶段的载体无扰动空间规划与控制. 首先根据拉格朗日第二类方程, 建立存在关节死区的载体位姿均不受控的漂浮基平面三连杆空间机械臂的动力学模型, 推导出三连杆空间机械臂反作用零空间的数学模型, 并对反作用零空间进行向量范数约束算法研究; 进而提出了一种具有抗干扰性与高收敛性的非奇异快速终端滑模控制算法实现系统的姿态无扰控制, 该方法采用变系数双幂次趋近率与非奇异快速终端滑模面相结合的方式, 提高系统状态收敛速度与抗干扰性. 为了消除机械臂关节存在的死区特性, 设计了自适应死区补偿器, 通过自适应控制来逼近死区特性的上界, 以消除关节死区对系统带来的影响, 确保跟踪控制的有效执行. 最后基于Lyapunov函数法证明了系统的稳定性, 并通过系统数值仿真结果验证了存在死区情况下机械臂的各关节角跟踪上无反应空间下的期望轨迹的同时载体的姿态处于稳定状态, 验证了所提方法的有效性.      

浮动基座空间机械臂系统的动力学建模与惯性轨迹跟踪的滑模控制

本文利用多刚体系统动力学方法对载体位置、姿态均不受控制的浮动基空间机械臂系统的运动学、动力学作了分析,并结合系统的动量与动量矩守恒关系建立了系统的动力学方程及运动的广义Jacobi关系。以此为基础,对空间机械臂末端抓手追踪惯性空间期望轨迹的控制问题作了研究。考虑到空间机械臂系统的结构复杂性及某些参数（如液体控制燃料的数量）的变动性,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了轨迹跟踪控制的变结构滑模控制方案。此控制方案的优点在于：在操作过程中不需要对空间机械臂载体的位置、姿态进行主动控制,因此将大大减少位置、姿态控制装置的燃料消耗。通过对平面三杆自由浮动空间机械臂系统的仿真计算,证实了文中提出的变结构滑模控制方案的有效性。