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。     

基于ED-LSTM的智能汽车神经网络横向动力学建模与控制

车辆动力学建模过程中通常会进行简化和假设, 导致模型在某些工况下无法准确反映车辆的实际动态特性, 影响控制精度甚至安全性. 鉴于此, 该文提出了一种基于数据驱动的非线性建模与控制方法, 建立了新型神经网络车辆横向动力学多步预测模型, 实现了智能汽车对参考轨迹的跟踪控制. 首先, 在分析车辆单轨模型并考虑轮胎非线性和纵向负载转移的基础上, 基于编码器?解码器结构设计神经网络横向动力学模型. 其中, 使用串行排列来扩展微分方程描述不完全的动力学信息, 隐藏层神经元学习车辆的高度非线性和强耦合特性, 进而提高模型全局计算精度. 利用所构建的数据集进行模型训练和测试, 结果表明, 相比于物理模型, 所提出的模型在不同路面附着系数条件下均具有更高的建模精度, 具有隐式预测路面摩擦条件能力. 其次, 利用提出的模型设计轨迹跟踪控制算法, 根据车辆稳态转向假设, 计算所需的前轮转向角和稳态质心侧偏角, 将稳态质心侧偏角纳入基于路径误差的转向反馈中, 实现参考轨迹跟踪控制. 最后, 使用CarSim/Simulink联合仿真及HIL实验测试进行不同工况试验的对比分析, 对所提出的基于神经网络模型的控制算法进行评价, 结果表明, 该模型能够实现智能汽车在高速下精确的跟踪控制效果, 并具有良好的横向稳定性.      

仿青蛙机器人跳跃之力学分析与轨迹优化

目前,相比传统的轮式机器人,离散性运动的跳跃机器人具有更好的移动性能,得到了广泛的应用.本文从仿生学角度出发,选择具有优秀跳跃性能和合理运动结构的青蛙作为研究对象,建立了平面连杆机构仿青蛙机器人跳跃模型.在该模型的基础上,建立了仿青蛙机器人起跳阶段的运动学和动力学模型,得到了起跳阶段机器人各关节力矩与各关节运动轨迹,质心速度,质心加速度间的关系.结合遗传算法,对机器人在起跳阶段的跳跃轨迹进行了优化.在此基础上,从能量角度出发,对机器人在腾空阶段的跳跃轨迹进行了优化,得到了机器人最佳的跳跃轨迹.结合Matlab仿真分析,验证了方案的正确性和可行性.     

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...     

猎雷声纳基阵姿态稳定系统自适应反步法控制

针对带非线性摩擦力矩和负载扰动的高精度猎雷声纳基阵姿态稳定系统,提出了一种基于神经网络的自适应反步法控制方法。其中神经网络用于估计未知非线性摩擦力矩,进而设计反步法控制器和参数自适应律来对神经网络估计误差和负载扰动进行补偿。最后应用Lyapunov方法证明了所提出的自适应控制器能保证闭环系统的稳定性,并且可以通过选择适当的控制器参数来调整收敛率。仿真结果表明,基于神经网络的自适应反步法控制方法与PID控制相比,系统的动、静态性能指标及鲁棒性得到了全面的改善,与双闭环PID控制相比,跟踪精度提高了3倍多。     

BUFFER AND COMPLIANT DYNAMIC SURFACE CONTROL OF SPACE ROBOT CAPTURING SATELLITE BASED ON COMPLIANT MECHANISM$^{\bf 1)}$

研究了空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受碰撞冲击破坏的缓冲从顺控制问题, 为此在机械臂与关节电机之间配置了一种柔性机构, 其作用在于: (1)在接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击力矩; (2)在镇定运动阶段, 结合与之配合的缓冲从顺控制策略来适时开、关关节电机, 以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围. 首先, 利用多刚体系统理论获得配置柔性机构空间机器人及目标卫星分体系统动力学方程; 之后, 结合整个系统动量守恒关系, 捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了两者形成联合体系统的动力学方程, 并计算了碰撞过程的冲击效应与冲击力. 为了实现失稳联合体系统的镇定控制, 提出了一种基于动态面的缓冲从顺控制方案. 上述控制方案可在实现吸收捕获操作产生的冲击力矩的同时, 还能在冲击力矩过大时适时开启、关闭关节电机, 以避免关节电机发生破坏; 此外, 动态面的引入避免了反演法存在的计算膨胀问题, 有效减少了计算量. 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上述缓冲从顺控制策略的正确性.     

摆式摩擦发电机非线性机电耦合建模研究

面向摆式摩擦发电机结构优化设计需求,开展非线性机电耦合建模与参数敏感性分析,以推动其向工程实用化方向发展.在摩擦发电机理分析的基础上,构建等效电容拟合函数;结合能量原理和等效电路法,建立了考虑摆角非线性变化的机电耦合模型.利用谐波平衡法,解析求解摆式摩擦发电机的周期稳态输出,并判断结果稳定性.结合数值积分和动态测试两种手段,验证谐波平衡分析的准确性.与线性模型结果进行深入对比,并考察了不同设计参数对摆式摩擦发电机输出特性的影响.考虑非线性效应,模型预估的工作带宽显著增加(相对增量83%).文章提出的机电耦合模型能够有效避免线性模型对工作带宽的低估问题,显著提升输出性能估计的准确性;增加激励幅值、降低系统阻尼或减小电极夹角,均有助于提升摆式摩擦发电机的输出表现;在实际设计时,需综合考虑间隙长度和摩擦力幅值,以使摆式摩擦发电机输出表现处于较优状态;构建多种拟合模型用于表征设计参数与输出性能的关系,可作为摆式摩擦发电机输出性能设计的依据.     

基于柔性机构捕捉卫星的空间机器人动态缓冲从顺控制

研究了空间机器人在轨捕获非合作卫星过程避免关节受碰撞冲击破坏的缓冲从顺控制问题, 为此在机械臂与关节电机之间配置了一种柔性机构, 其作用在于: (1)在接触、碰撞阶段可通过其内置弹簧的变形来吸收被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击力矩; (2)在镇定运动阶段, 结合与之配合的缓冲从顺控制策略来适时开、关关节电机, 以保证关节受到的冲击力矩受限在安全范围. 首先, 利用多刚体系统理论获得配置柔性机构空间机器人及目标卫星分体系统动力学方程; 之后, 结合整个系统动量守恒关系, 捕获操作后系统运动几何关系及力的传递规律, 建立了两者形成联合体系统的动力学方程, 并计算了碰撞过程的冲击效应与冲击力. 为了实现失稳联合体系统的镇定控制, 提出了一种基于动态面的缓冲从顺控制方案. 上述控制方案可在实现吸收捕获操作产生的冲击力矩的同时, 还能在冲击力矩过大时适时开启、关闭关节电机, 以避免关节电机发生破坏; 此外, 动态面的引入避免了反演法存在的计算膨胀问题, 有效减少了计算量. 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上述缓冲从顺控制策略的正确性.      

基于机器学习软骨细胞的时间依赖性力学行为及本构参数反演

探究软骨细胞机械负载下的力学特性对于理解软骨细胞的正常和病理状态以及骨性关节炎的病因至关重要. 基于软骨细胞有限元计算模型的力学响应与其本构参数之间的高度复杂非线性, 本文提出了分别利用双向深度神经网络TW-Deepnets模型和随机森林RF模型并结合有限元方法来识别软骨细胞本构参数的两种反演方法. 首先, 建立了软骨细胞的无侧限压缩实验有限元模型, 收集MSnHS本构参数空间点与对应的有限元计算模型的压缩反作用力响应数据集. 其次, 结合贝叶斯超参数优化算法搭建了用于软骨细胞本构参数反求的TW-Deepnets模型和RF模型, 对有限元收集的数据进行训练, 并利用单个软骨细胞受到50%压缩程度下的实验数据对软骨细胞的MSnHS本构参数进行了反求. 最后, 通过与实验曲线的对比验证了所提出的反演方法的有效性, 并引入决定系数R2对两种模型的预测准确性进行了对比评估, 检验了模型对各本构参数的预测性能, 分析了MSnHS本构模型中各参数影响软骨细胞力学响应的重要性占比. 结果表明, 本研究提出的本构参数反演方法能够有效获取软骨细胞的本构参数值, 从而准确描述软骨细胞的时间依赖性力学特性, 该方法也可进一步推广到生物细胞在静态或动态负载条件下的复杂参数反演问题.      

机械系统中摩擦模型的研究进展

摩擦现象在机械系统中的作用日益突出, 合理地解决机械系统中摩擦环节尤其是非线性摩擦环节的制约问题 已成为当前研究的重点. 由于摩擦的复杂性, 很难从机理上获得其准确唯一的数学模型, 迄今已提出的摩擦模 型有数十种. 鉴于目前机械系统中摩擦建模的发展状况, 首先描述了几种重要的摩擦现象, 如库仑摩擦、黏性 摩擦、Stribeck效应、预滑动摩擦、可变的静态摩擦力和摩擦记忆效应等. 其次, 系统地介绍了几种较为重要的、 常用的摩擦模型, 包括6种静态摩擦模型和7种动态摩擦模型, 并对每一种模型的构成, 特点和适用范围等 进行了较为详细地论述. 比较而言, 静态摩擦模型结构简单, 参数辨识容易, 但是无法描述摩擦的动态特性, 动态摩擦模型能够比较全面的描述摩擦现象, 但结构复杂, 参数辨识难度较大. 再次, 简要概述了摩擦建模 对机械系统动力学行为的影响, 以及在高精度定位系统的控制中的作用. 最后, 针对当前机械系统中摩擦建 模方面存在的一些不足提出了几点展望. 为今后摩擦模型的选用和新摩擦模型的建立提供了参考.     

Input torque sensitivity to uncertain parameters in biped robot

Input torque is the main power to maintain bipedal walking of robot, and can be calculated from trajectory planning and dynamic modeling on biped robot. During bipedal walking, the input torque is usually required to be adjusted due to some uncertain parameters arising from objective or subjective factors in the dynamical model to maintain the pre-planned stable trajectory. Here, a planar 5-link biped robot is used as an illustrating example to investigate the effects of uncertain parameters on the input torques. Kine-matic equations of the biped robot are firstly established by the third-order spline curves based on the trajectory planning method, and the dynamic modeling is accomplished by taking both the certain and uncertain parameters into account. Next, several evaluation indices on input torques are intro-duced to perform sensitivity analysis of the input torque with respect to the uncertain parameters. Finally, based on the Monte Carlo simulation, the values of evaluation indices on input torques are presented, from which all the robot param-eters are classified into three categories, i.e., strongly sensi-tive, sensitive and almost insensitive parameters.     

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.      

柔性铰柔性杆机器人动力学建模、仿真和控制

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.      

DYNAMICS MODELING,SIMULATION, AND CONTROL OF ROBOTS WITH FLEXIBLE JOINTS AND FLEXIBLE LINKS$^{\bf 1)}$

本文探究了铰柔性对机器人动力学响应和动力学控制的影响. 首先, 建立由$n$个柔性铰和$n$个柔性杆组成的空间机器人模型, 运用递推拉格朗日动力学方法, 得到柔性机器人系统的刚柔耦合动力学方程. 在动力学建模过程中, 除了考虑杆件的拉伸变形、弯曲变形、扭转变形以及非线性耦合变形对机器人系统动力学行为的影响, 还考虑了铰的柔性对机器人动力学响应和控制的影响. 其中, 柔性铰模型是基于Spong的柔性关节简化模型, 将柔性铰看成线性扭转弹簧, 不仅考虑了铰阻尼的存在, 还考虑了柔性铰的质量效应. 其次, 编写了空间柔性铰柔性杆机器人仿真程序, 研究铰的刚度系数和阻尼系数对系统动力学响应的影响. 研究表明: 随着柔性铰刚度系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动频率变大. 随着柔性铰阻尼系数的增大, 柔性机器人的动态响应幅值减小, 振动幅值的衰减速度变快. 可通过调节柔性铰的刚度和阻尼来减小柔性铰柔性杆机器人的振动, 因此铰阻尼的研究具有重要工程意义. 最后, 研究了铰柔性在机器人系统动力学控制中的影响. 在刚性铰机械臂和柔性铰机械臂完成相同圆周运动时, 通过逆动力学方法求解得到两种情况下的关节驱动力矩. 研究表明: 引入柔性铰会使控制所需的驱动力矩变小, 对机器人控制的影响显著.     

Dynamics and trajectory planning of a planar flipping robot

In this paper, a new planar one-legged robot model is firstly proposed, which, unlike previous one-legged robot with springy legs, consists of three revolute joints. Then a novel manner of one-legged locomotion (i.e., ballistic flip) is designed for this robot. A complete flipping gait cycle is composed of four phases: two stance phases and two flight phases. During flight phases, no active control is needed on the knee joint. Rotational motion and translational motion is decoupled from each other in flight phases. Landing of the robot is regarded as an inelastic impulsive impact. During stance phases, the robot model can be simplified as a two-degree-of-freedom rigid manipulator. Based on analysis of kinematics and dynamics of the flip robot, trajectory planning of cyclic flip gait is formulized as a problem of numerical optimization subject to nonlinear constraints such as positive reaction force of ground and finite torque of the joints. One potential application of the flipping robot is space exploration, which urgently requires the legged locomotive robots to be light-weighted and energy efficient.     

TRAJECTORY TRACKING CONTROL FOR DUAL-ARM SPACE ROBOT WITH BOUNDED INPUT TORQUES

讨论基座姿态、位置均不控的自由漂浮双臂空间机器人在关节驱动力矩受限下其关节协调运动的控制问题. 运用拉格朗日第二类方程并耦合动量守恒关系建立动力学方程. 尔后,设计了基于饱和函数的控制方案,该方案引入具有饱和特性的双曲正切函数来控制关节力矩幅值. 最后,根据奇异扰动系统稳定性理论将系统分为降阶系统和边界层系统,分别利用李雅普诺夫函数证明其在原点呈指数稳定. 数值仿真进一步表明该方案的有效性和优越性.     

踝关节外骨骼人机耦合动力学与助力性能分析

踝关节在人体下肢运动过程中提供了最大的关节力矩, 因此在下肢增强型外骨骼的研究中, 踝关节外骨骼受到了重点关注. 穿戴外骨骼的人体的行走是典型的动力学问题, 但目前人机耦合动力学的相关研究还处于早期阶段. 本文以绳驱踝关节外骨骼为研究对象, 融合机器人正运动学方法和拉格朗日方程建立了考虑足?地交互力、人体关节力矩和外骨骼力矩的人?机耦合动力学模型. 模型中, 足?地交互力由Kelvin-Voigt模型结合库伦摩擦模型描述, 人体关节力矩由基于粒子群优化的PD控制生成, 外骨骼期望力矩由上层控制器依据人体步态周期确定. 通过基于模型的动力学仿真, 本文从人体踝关节角度、踝关节力矩、踝关节功率和踝关节做功多个角度系统分析了踝关节外骨骼对人体行走的助力效果. 研究表明, 在2.0 km/h到6.5 km/h的人体步行速度下, 穿戴外骨骼可以实现至少24.84%的人体踝关节平均力矩下降和至少24.69%的踝关节做功下降. 本文也开展了基于SCONE平台的肌肉骨骼建模和预测仿真. 仿真结果表明, 在3.6 km/h的步行速度下, 穿戴外骨骼可以有效降低比目鱼肌的激活度峰值, 并使肌电信号的RMS值下降了6.21%, 从而从生理学的角度证实了踝关节外骨骼的助力效果. 本文的结果进一步完善了人体下肢?外骨骼耦合系统的动力学建模和分析方法, 从动力学和生理学角度证实和解释了踝关节外骨骼对行走的助力机制, 也为今后下肢外骨骼的实验研究提供了理论支撑.      

配置柔顺机构空间机器人双臂捕获卫星操作力学模拟及基于神经网络的全阶滑模避撞柔顺控制

讨论了空间机器人双臂捕获卫星操作过程避免关节冲击破坏的避撞柔顺控制问题. 为此在关节电机与机械臂之间设计了一种旋转 型串联弹性执行器(rotatory series elastic actuator, RSEA)--柔顺机构,其作用在于:(1) 通过其内置弹簧的拉伸或压缩变形来吸收捕获操作过程中被捕获卫星对空间机器人关节产生的冲击能量;(2) 可以利用合理设计的与之配合的避撞柔顺控制策略来保证关节冲击力矩受限在安全范围. 首先,利用第二类Lagrange方程分别建 立了捕获操作前含柔顺机构双臂空间机器人的开环分系统动力学模型与目标卫星的分系统动力学模型;之后,基于系统动量 守恒关系、闭链系统位置与速度几何约束关系,获得了捕获操作后空间机器人与被捕获卫星闭链混合体系统综合动力学方程; 最后,基于RBF神经网络提出了一种捕获操作后两者混合体系统镇定运动的全阶终端滑模避撞柔顺控制方案. 所提方案结合柔 顺机构在有效吸收、缓冲被捕获卫星冲击能量的同时,还在冲击能量过大时适时开、关空间机器人关节驱动器,以避免关节驱 动器过载、破坏;此外,还通过最小权值范数法分配了机械臂各关节力矩,以保证双臂协调操作. Lyapunov稳定性理论证明了 系统的全局稳定性,系统计算机数值仿真也验证了上述避撞柔顺控制策略的有效性.      

Disturbance compensation of a dual-arm underwater robot via redundant parallel mechanism theory

Disturbance compensation is one of the major issues for underwater robots to hover as a mobile platform and to manipulate an object in an underwater environment. This paper presents a new strategy of disturbance compensation for a mobile dual-arm underwater robot using internal torques derived from redundant parallel mechanism theory. A model of the robot was analyzed by redundant serial and parallel mechanisms at the same time. The joint torque to operate the robot is obtained from a redundant serial mechanism model with null-space projection due to redundancy. The joint torque derived from the redundant parallel kinematic model is calculated to perfectly compensate for disturbances to the mobile platform and is included in the solution of the joint torque based on the serial redundant model. The resultant joint torque can generate force on the end-effector for required tasks and forces for disturbance compensation simultaneously . A simulation shows the performance of this disturbance compensation strategy. The joint torque based on the algorithm generates the desired task force and the disturbance compensation force together, and a little additional joint torque can generate a large internal force effectively due to the characteristics of a redundant parallel mechanism. The proposed method is more effective than compensation methods using thrusting force on the mobile platform.