机器人关节非线性摩擦模型关键参数反求

机器人关节非线性摩擦的准确描述对提高机器人轨迹精度、定位精度及其可靠性等具有重要理论意义和科学价值. 然而, 机器人关节通常包含电机、减速器、驱动器和传感器, 是一个复杂的机电耦合系统, 随服役时间及工况的变化, 机器人关节的摩擦参数也存在显著时变效应, 难以准确描述, 造成轨迹精度下降, 为机器人后期精度维护造成巨大困难. 因此, 本文定量评价了摩擦参数对机器人输出力矩的影响, 提出考虑时变效应的机器人关节非线性摩擦参数反求方法. 首先, 建立机器人关节一般非线性摩擦模型. 设计机器人关节恒速跟踪实验, 通过卡尔曼滤波对实验采集的数据进行处理, 进而建立关节速度和驱动电机电流之间的关系, 完成关节一般非线性摩擦模型建立. 其次, 择取非线性摩擦模型关键参数. 建立包含非线性摩擦的机器人动力学模型, 基于激励轨迹计算各关节力矩, 并对其开展灵敏度分析, 择取对关节力矩灵敏性较高的摩擦参数. 再次, 建立关节输出力矩和摩擦参数一一对应的数据集. 基于实际工况构建摩擦参数取值空间, 采用最优拉丁超立方法对摩擦参数采样, 并将其代入机器人动力学模型计算出相应的力矩, 从而求得关节输出力矩和摩擦参数一一对应的数据集. 最后, 建立反问题神经网络并对其进行训练, 实现非线性摩擦模型关键参数反求, 并进行验证. 研究结果表明关节非线性摩擦的准确描述减小了机器人低速运动换向时摩擦力矩突变对机器人轨迹的影响, 显著提升了机器人轨迹精度.      

飞行器气动参数辨识进展

飞行器气动参数辨识研究的主题,是应用系统辨识技术从飞行试验数据求取气动力,从而建立飞行器动力学系统的数学模型.它研究的对象是飞行器;解决的是空气动力学问题;采用的基本方程是飞行动力学的运动方程组;应用的研究手段是现代控制论的滤波、预测和估计理论.它是处于空气动力学、飞行力学、弹性力学和现代控制论之间的应用性研究课题. 本文综述了国内外公开发表的飞行器参数辨识研究的理论结果和实践经验,分八个专题——模型辨识,参数估计,数据预处理和相容性检验,试验设计与最佳输入,弹性与非定常效应,频域辨识,闭环辨识,辨识准度与系统验证——评述其研究进展和现状.      

随机最优控制方法识别动力学系统局部非线性

利用随机动态规划方法可以得到线性二次型高斯问题的最优控制解．基于这一结果与系统辨识问题最优控制解的概念,将动力学系统中局部非线性结构参数的辨识问题转化为求解对应线性系统的最优控制问题,利用线性系统随机最优控制的理论与方法,结合FSM（ForceStateMapping）方法,提出了识别动力学系统中局部非线性回复力类型及结构参数的新方法．所研究系统由大的线性子结构与一个或多个非线性子结构组成,其中线性结构的模型参数已知,待辨识量为局部非线性结构参数．     

空间机械臂关节轨迹跟踪的自适应反演滑模控制

讨论了载体位置、姿态均不受控制情况下,具有外部扰动与参数不确定的自由漂浮空间机械臂系统关节空间轨迹跟踪的控制问题.结合系统动量、动量矩守恒关系及拉格朗日方法,建立了自由漂浮空间机械臂的系统动力学方程.针对外部扰动与参数不确定的情况,提出一种自适应反演滑模控制方案.此控制方案无需要求系统动力学方程关于惯性参数呈线性函数关系;同时,它可保证系统具有全局意义下的渐近稳定性.数值仿真结果证实了该控制方案可有效地消除外部扰动与参数不确定对系统的影响,控制空间机械臂系统各关节按关节空间内的期望轨迹进行运动.     

多体系统动力学中关节效应模型的研究进展

在一般的多体系统动力学研究中认为运动关节是理想运动副. 然而,实际中的运动关节不仅含有间隙与摩擦,还有间隙引起的关节元素之间的接触碰撞、局部变形和磨损. 多体系统动力学中的关节效应不仅引起了系统的振动和噪声,减小了系统的可靠性和寿命,而且损失了系统的精度和稳定性. 为此,对近十几年多体系统动力学中关节效应的研究进行了详细分析,总结了关节效应中间隙运动学模型、接触力模型与磨损模型在多体系统动力学中的建模过程. 其中,着重分析了多体系统动力学中关节磨损效应的研究进展,并对常用的Reye'shypothesis 和Archard 磨损模型进行了比较,详细地分析了Archard 磨损模型的演变形式以及主要磨损参数(接触应力,接触面积和滑移距离),特别分析了关键磨损参数接触应力的建模方法,解释了基于Winkler 弹性基础理论在求解接触应力时遇到的困难. 另外,介绍了4 种间隙运动副(转动副、移动副、圆柱副和球面副) 的运动学模型. 分析了考虑关节磨损多体系统动力学模型的一般建模方法,并以平面五杆机构为例说明了其建模过程.最后,简要地展望了多体系统动力学中关节效应模型的发展趋势以及应用前景.      

多体系统摩擦接触问题的DAE-LCP方法

当多体系统的约束全部是摩擦接触时, 其动力学问题可归结为一个常微分方程(ordinarydifferential equation, ODE)与线性互补问题(linear complementarityproblem, LCP)的混合动力学问题. 如果除了摩擦接触之外还增加了光滑的双边约束, 则需要将ODE-LCP混合动力学模型推广为微分代数方程(differential algebra equation, DAE)与LCP的混合动力学模型. 该文采用DAE与LCP混合动力学方法求解不考虑碰撞但同时含有持续摩擦接触及光滑等式约束的多体系统动力学问题. 在建立系统动力学模型时,首先将含摩擦的约束从系统中移去得到基本动力学系统. 由于基本系统中带有等式约束, 所以基本系统的动力学方程为一组DAE. 结合基本系统的DAE与约束的互补条件便可以得到DAE-LCP混合动力学模型. 数值计算采用基于DAE与LCP的步进(time-stepping)算法, 将系统动力学方程及其约束离散化并转化为一个混合LCP进行求解. 该算法无需进行滞-滑状态检测, 避免了事件检测导致的繁复计算. 利用所提方法对典型机构的非光滑非线性特征进行了数值分析,验证了该文方法的正确有效性.      

运动副摩擦参数的识别方法研究

采用粘性 库仑摩擦模型建立了单自由度回转机械系统运动微分方程,分别从时域和频域角度提出了两种识别运动副摩擦参数的方法。仿真结果表明,两种方法在较高信噪比下均能有效地辨识出库仑摩擦和粘性摩擦参数,其中频域法比时域法具有更高的参数估计精度。对电机驱动的单自由度转动机械系统实验装置的运动副建立了相应的摩擦模型,实验结果表明:在不同试验条件下两种方法计算得到的库仑和粘性摩擦参数具有较好重复性,从而验证了本文参数辨识方法的正确性。     

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。     

考虑铰摩擦的柔性太阳阵展开动力学研究

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题. 基于Jourdain 速度变分原理和单项递推组集方法, 建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献. 在以上动力学模型中引入3-D 鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响. 所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS 和NASTRAN 的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.      

非光滑多体系统动力学数值算法的研究进展

非光滑多体系统动力学数值计算方法是多体系统动力学研究的重要内容之一. 本文介绍了近年来含摩擦与碰撞的非光滑多体系统动力学数值算法方面的研究进展. 首先, 讨论了库仑摩擦模型和修正的库仑摩擦模型, 以及具有单边和双边约束的多体系统中法向约束力的特点. 其次, 回顾了基于连续模型和非连续模型的多体系统动力学方程的数值计算方法, 详细介绍了基于互补概念的非光滑多体系统动力学的事件驱动法和时间步进法, 分析比较了相关的数值算法. 最后, 指出了一些需要进一步研究的问题.     

考虑摩擦特性的柔性关节空间机器人自适应CMAC神经网络鲁棒控制

讨论了关节摩擦力矩影响下,具有柔性铰关节的漂浮基空间机器人系统的动力学控制问题.设计了基于高斯基函数的小脑神经网络(CMAC)鲁棒控制器和摩擦力矩补偿器.用奇异摄动理论对系统的动力学模型进行快慢变子系统分解,针对快变子系统,设计力矩微分反馈控制器来抑制机械臂关节柔性引起的振动;对于慢变子系统,设计了基于自适应CMAC神...     

Hybrid approach for dynamic model identification of an electro-hydraulic parallel platform

In this paper, a hybrid optimization algorithm is proposed to identify the dynamic parameters of a 6-DOF electro-hydraulic parallel platform. The dynamic model of a parallel platform with arbitrary geometry, inertia distribution and frictions is obtained based on a structured Boltzmann–Hamel–d’Alembert formulation, and then the estimation equations are explicitly expressed in terms of a linear form with respect to the identified inertial and the friction coefficients in accordance with a linear friction model. However, when nonlinear friction models are considered, the parameter identification of the electro-hydraulic parallel platform is considered as an optimization process with an objective function minimizing the errors between the measurement and identification, and then an effective combination of the particle swarm optimization (PSO) method and the local quasi-Newton method is proposed to solve the identification problem. Experimental identification processes are carried out for the identified parameters, and the identified models are compared by the predicted forces between the LS method and the optimization technique as well as between the linear and nonlinear friction models.     

DEPLOYMENT DYNAMICS OF FLEXIBLE SOLAR ARRAYS CONSIDERING FRICTIONAL JOINT

研究了空间漂浮航天器太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合动力学问题. 基于Jourdain 速度变分原理和单项递推组集方法, 建立了太阳阵展开与锁定过程的刚柔耦合多体系统动力学模型,采用虚功率原理推导了铰摩擦对系统动力学方程的贡献. 在以上动力学模型中引入3-D 鬃毛摩擦模型来研究铰链的摩擦特性对太阳阵展开动力学的影响. 所建动力学模型的正确性通过与商业软件ADAMS 和NASTRAN 的联合仿真对比得到了验证,该模型能够有效地预测太阳阵的展开历程以及航天器姿态的动态行为.     

Comparison and analysis of two Coulomb friction models on the dynamic behavior of slider-crank mechanism with a revolute clearance joint

The objective of this study is to investigate the effects of the Coulomb dry friction model versus the modified Coulomb friction model on the dynamic behavior of the slider-crank mechanism with a revolute clearance joint. The normal and tangential forces acting on the contact points between the journal and the bearing are described by using a Hertzian-based contact force model and the Coulomb friction models, respectively. The dynamic equations of the mechanism are derived based on the Lagrange equations of the first kind and the Baumgarte stabilization method. The frictional force is solved via the linear complementarity problem (LCP) algorithm and the trial-and-error algorithm. Finally, three numerical examples are given to show the influence of the two Coulomb friction models on the dynamic behavior of the mechanism. Numerical results show that due to the stick friction, the slider-crank mechanism may exhibit stick-slip motion and can balance at some special positions, while the mechanism with ideal joints cannot.     

考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型及其仿真分析

为建立更完善和精确的结合面接触刚度模型,本文根据分形理论和摩擦学原理,从微观角度建立了考虑摩擦因素的结合面切向接触刚度分形预估模型.通过数值仿真分析研究了接触载荷、分形维数、摩擦系数和接触面积等因素对结合面切向接触刚度的影响.分析结果表明:结合面切向接触刚度随法向载荷和分形维数的增加而增大,而随分形尺度参数的增大而减小;摩擦系数对结合面切向接触刚度的影响较大,不同实际接触面积下的切向刚度相差较大;当分形维数较小时,摩擦系数对结合面切向刚度的影响将降低.这些研究对于进一步开展结合面的动力学特性研究具有重要意义.     

Dynamics analysis of 2-DOF complex planar mechanical system with joint clearance and flexible links

Joint clearance and flexible links are two important factors that affect the dynamic behaviors of planar mechanical system. Traditional dynamics studies of planar mechanism rarely take into account both influence of revolute clearance and flexible links, which results in lower accuracy. And many dynamics studies mainly focus on simple mechanism with clearance, the study of complex mechanism with clearance is a few. In order to study dynamic behaviors of two-degree-of-freedom (DOF) complex planar mechanical system more precisely, the dynamic analyses of the mechanical system with joint clearance and flexibility of links are studied in this work. Nonlinear dynamic model of the 2-DOF nine-bar mechanical system with revolute clearance and flexible links is built by Lagrange and finite element method (FEM). Normal and tangential force of the clearance joint is built by the Lankarani–Nikravesh and modified Coulomb’s friction models. The influences of clearance value and driving velocity of the crank on the dynamic behaviors are researched, including motion responses of slider, contact force, driving torques of cranks, penetration depth, shaft center trajectory, Phase diagram, Lyapunov exponents and Poincaré map of clearance joint and slider are both analyzed, respectively. Bifurcation diagrams under different clearance values and different driving velocities of cranks are also investigated. The results show that clearance joint and flexibility of links have a certain impact on dynamic behavior of mechanism, and flexible links can partly decrease dynamic response of the mechanical system with clearance relative to rigid mechanical system with clearance.     

梁结构时变物理参数在线识别的谐波传播法

组合梁结构在运动状态下其连接处的物理参数不断变化,导致结构的动态特性也不断发生变化.为了研究组合梁结构在运动状态下的非平稳动态特性以达到对结构振动进行实时控制的目的,必须对结构连接处的物理参数进行在线跟踪辨识.本文在现代谐波识别技术的基础上提出时变系统谐波频率与振型的在线识别算法,并利用波传播方法计算出连接处的力与位移向量,再由连接处位移连续与力平衡条件求得连接处的动刚度,进而求得结构连接处的刚度与阻尼.由于该方法可以简化测试节点,所以可以节省测试成本.仿真算例表明该方法具有良好的跟踪能力与较高的计算精度.