漂浮基空间机器人系统基于增广变量思想的改进变结构滑模控制

讨论载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机器人系统的控制问题.首先导出了空间机器人欠驱动形式的系统动力学方程.之后借助于增广变量法,证明可以将上述系统动力学方程及系统增广广义Jacobi矩阵分别表示为一组适当选择的组合惯性参数的线性函数.以此为基础,根据具有较强鲁棒性的变结构滑模控制理论,设计了一种空间机器人惯性空间期望轨迹跟踪的改进变结构滑模控制方案.与传统变结构滑模控制相比,所提控制方案通过一次离线预估控制律中相关矩阵元素的上下限,从而避免了实时控制过程中重复计算系统动力学方程中科氏力、离心力项的麻烦,因此有效减少了计算量,更适用于机载计算机运算能力有限的空间机器人控制系统实时应用.仿真运算,证实了方法的有效性.     

双臂空间机器人系统末端惯性空间轨迹的反馈跟踪控制

本文讨论了载体位置不受控制的双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的控制问题.结合系统的动量守恒关系对双臂空间机器人系统的运动学、动力学作了分析,推导出了系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的增广广义Jacobi关系.并以此为基础,给出在载体位置不受控制的情况下,惯性坐标系内双臂空间机器人系统的载体姿态与机械臂末端抓手协调运动的反馈跟踪控制规律.研究结果表明,在系统动力学模型及参数较精确确定的情况下,本文提出的控制方案能够有效地控制双臂空间机器人机械臂的末端抓手与载体姿态准确地完成指定的运动,而不需对其载体的位置进行主动控制.仿真计算结果证实了方法的有效性.     

带滑移铰空间机械壁的分解运动自适应控制

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基带滑移铰空间机械臂的逆运动学问题,推导了系统的运动学、动力学方程。分析表明,结合系统动量及动量矩守恒关系得到的系统广义Jacobi关系为系统惯性参数的非线性函数。证明了借助于增广变量法可以将增广广义Jacobi矩阵表示为一组适当选择的惯性参数的线性函数。在此基础上,给出了系统参数未知时由空间机械臂末端惯性空间期望轨迹产生机械臂关节铰期望角速度、角加速度的增广自适应控制算法。仿真运算,证实了方法的有效性。     

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.     

漂浮基空间机械臂关节轨迹跟踪的增广鲁棒控制方法

讨论了载体位置与姿态均不受控制的漂浮基空间机械臂系统的控制问题。基于增广变量法,解决了空间机械臂系统的控制方程关于系统惯性参数的非线性化问题;保持了控制方程关于系统惯性参数的线性关系。在此基础上,针对系统载荷参数不确定的情况下,提出了关节空间轨迹追踪 的增广鲁棒控制方法,并应用Lyapunov直接方法证明了 提到的控制方案能使系统满足渐近稳定性条件。通过仿真运算,证实了方法的有效性。     

双臂空间机器人关节空间的补偿学习控制

在载体位置与姿态均不受控制情况下,结合动量(矩)守恒关系对系统进行了运动学、动力学的分析,得到了漂浮基双臂空间机器人的系统动力学方程.采用PD控制的计算力矩法,得到了系统的闭环动态误差方程,在此基础上设计了针对不确定性的自由漂浮空间机器人的控制方案,提出了一种基于遗传算法的补偿学习控制方法.将补偿学习控制与计算力矩法相结合,利用遗传算法的进化学习消除不确定因素的影响,实现机器人轨迹跟踪的良好控制.     

漂浮基空间机械臂关节空间轨迹的鲁棒自适应跟踪控制

本文讨论了具有不确定系统参数的漂浮基空间机械臂系统的控制问题,由于截体的位置与姿态均不变控制,空间机械臂系统的控制方程失去了关于系统惯性参数的线性性质,给控制系统设计带来极大的困难,基于增广变量的思想,我们克服了上述难点,保持了控制方程关于系统惯性参数的线性关系;在此基础上,针对系统中机械臂参数不确定,载荷参数未知的情况,提出了关节空间轨迹追踪的鲁棒自适应控制方案,并应用Lyapunov直接方法对上述控制方案的渐近稳定性条件作了证明,提出的控制方案适用于空间站舱内机械手控制系统设计,仿真运算证实了该方法的有效性。     

空间双臂机器人抓捕翻滚目标后的鲁棒稳定控制

针对空间双臂机器人抓捕翻滚目标的稳定控制问题, 由于目标惯性参数的不确定性以及双臂同时作用于目标存在内力挤压, 已有的稳定控制方法无法有效地约束机械臂末端与目标的接触力与力矩, 无法保证控制过程中抓捕点处的接触安全. 为此, 本文考虑被抓捕目标惯性参数不确定性与双臂内力挤压对抓捕后阶段组合体稳定控制的影响, 提出了一种保证接触安全的鲁棒稳定控制方法. 首先, 根据目标的有界不确定性构造鲁棒正不变集, 同时考虑双臂与目标接触内力的影响, 利用预测控制方法在该不变集内规划控制目标运动的虚拟接触力与力矩. 然后, 根据目标动力学模型以及空间双臂机器人的运动约束, 规划空间双臂机器人的鲁棒安全期望运动轨迹. 最后, 利用障碍李雅普诺夫函数构造跟踪控制器, 使空间双臂机器人有效地跟踪期望轨迹, 从而使得翻滚目标运动受到等效于虚拟控制律的作用, 在保证接触安全的同时实现鲁棒的稳定控制. 通过空间双臂机器人稳定翻滚目标的仿真算例验证了所提方法的有效性.      

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.     

Adaptive robust control of Mecanum-wheeled mobile robot with uncertainties

This paper presents a novel implementation of an adaptive robust second-order sliding mode control (ARSSMC) on a mobile robot with four Mecanum wheels. Each wheel of the mobile robot is actuated by separate motors. It is the first time that higher-order sliding mode control method is implemented for the trajectory tracking control of Mecanum-wheeled mobile robot. Kinematic and dynamic modeling of the robot is done to derive an equation of motion in the presence of friction, external force disturbance, and uncertainties. In order to make the system robust, second-order sliding mode control law is derived. Further, adaptive laws are defined for adaptive estimation of switching gains. To check the tracking performance of the proposed controller, simulations are performed and comparisons of the obtained results are made with adaptive robust sliding mode control (ARSMC) and PID controller. In addition, a new and low-cost experimental approach is proposed to implement the proposed control law on a real robot. Experimental results prove that without compromising on the dynamics of the robot real-time implementation is possible in less computational time. The simulation and experimental results obtained confirms the superiority of ARSSMC over ARSMC and PID controller in terms of integral square error (ISE), integral absolute error (IAE), and integral time-weighted absolute error (ITAE), control energy and total variance (TV).     

动态规划求解空间双臂机器人非完整运动最优控制问题

通过自适应动态规划研究自由漂浮空间双臂机器人运动的最优控制问题．针对空间双臂机器人的非完整性运动,采用自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming, ADP)方法求解其最优控制问题．根据多体动力学理论,推导了载体位置、姿态均无控制条件下,双臂空间机器人满足的系统动量守恒关系的非完整约束方程,并将其转化为控制系统的状态方程,从而将双臂空间机器人的非完整运动规划问题转化为对非线性系统的控制问题．文中根据自适应动态规划网络结构,利用神经网络来近似性能指标函数,进而用龙格库塔法求解状态变量．并给出了适合该类问题的一种效用函数具体表达式,保证了空间双臂机器人到达期望位置后不再继续运动．实现了对空间双臂机器人非完整运动规划的最优控制．数值仿真实验验证了ADP对求解空间双臂机器人非完整运动规划最优控制问题的有效性．     

空间机器人双臂捕获卫星力学分析及镇定控制

随着航天技术的发展,空间机器人要求具有对非合作卫星的在轨捕获能力. 双臂空间机器人与单臂空间机器人相比在这方面显然更具有优势. 然而由于太空环境的复杂性,使得空间机器人双臂捕获非合作卫星操作过程的动力学与控制问题表现出下述特点:非完整动力学约束,动量、动量矩与能量传递变化,捕获前后结构开、闭环变拓扑,与闭环接触几何、运动学约束多者共存. 因此空间机器人双臂捕获卫星技术相关动力学与控制问题变得极其复杂. 为此,讨论了双臂空间机器人捕获自旋卫星过程的动力学演化模拟,以及捕获操作后其不稳定闭链混合体系统的镇定控制问题. 首先,利用拉格朗日第二类方程建立了捕获操作前双臂空间机器人的开环系统动力学模型,利用牛顿-欧拉法建立了目标卫星的系统动力学模型;在此基础上基于动量守恒定律、力的传递规律,经过积分与简化处理分析、求解了双臂空间机器人捕获目标卫星后受到的碰撞冲击效应,给出了合适的捕获操作策略. 根据闭链系统的闭环约束几何及运动学关系获得了闭合链约束方程,推导了捕获操作后闭链混合体系统的动力学方程. 最后基于该动力学方程针对捕获操作结束后失稳的闭链混合体系统,设计了镇定运动模糊H_∞ 控制方案. 提出的方案利用模糊逻辑环节克服参数不确定影响,由H_∞ 鲁棒控制项消除逼近误差来保证系统控制精度;通过最小权值范数法分配各臂关节力矩,以保证两臂协同操作. 李雅普诺夫稳定性理论证明了系统的全局稳定性. 最后通过数值仿真实验模拟、分析了碰撞冲击响应,并验证了上述镇定运动控制方案的有效性.      

Dynamics and adaptive control of a dual-arm space robot with closed-loop constraints and uncertain inertial parameters简

A dynamics-based adaptive control approach is proposed for a planar dual-arm space robot in the presence of closed-loop constraints and uncertain inertial parameters of the payload. The controller is capable of controlling the po- sition and attitude of both the satellite base and the payload grasped by the manipulator end effectors. The equations of motion in reduced-order form for the constrained system are derived by incorporating the constraint equations in terms of accelerations into Kane＇s equations of the unconstrained system. Model analysis shows that the resulting equations perfectly meet the requirement of adaptive controller design. Consequently, by using an indirect approach, an adaptive control scheme is proposed to accomplish position/attitude trajectory tracking control with the uncertain parameters be- ing estimated on-line. The actuator redundancy due to the closed-loop constraints is utilized to minimize a weighted norm of the joint torques. Global asymptotic stability is proven by using Lyapunov＇s method, and simulation results are also presented to demonstrate the effectiveness of the proposed approach.     

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.     

Nonlinear adaptive task space control for a 2-DOF redundantly actuated parallel manipulator

A nonlinear adaptive (NA) controller in the task space is developed for the trajectory tracking of a 2-DOF redundantly actuated parallel manipulator. The dynamic model with nonlinear friction is established in the task space for the parallel manipulator, and the linear parameterization expression of the dynamic model is formulated. Based on the dynamic model, a new control law including adaptive dynamics compensation, adaptive friction compensation and error elimination items is designed. After defining a quadratic performance index, the parameter update law is derived with the gradient descent algorithm. The stability of the parallel manipulator system is proved by the Lyapunov theorem, and the convergence of the tracking error and the error rate is proved by the Barbalat’s lemma. The NA controller is implemented in the trajectory tracking experiments of an actual 2-DOF redundantly actuated parallel manipulator, and the experiment results are compared with the APD controller.     

Discrete adaptive fuzzy control for asymptotic tracking of robotic manipulators

This paper presents a novel discrete adaptive fuzzy controller for electrically driven robot manipulators. It addresses how to overcome the nonlinearity, uncertainties, discretizing error and approximation error of the fuzzy system for asymptotic tracking control of robotic manipulators. The proposed controller is model-free in the form of discrete Mamdani fuzzy controller. The parameters of fuzzy controller are adaptively tuned using an adaptive mechanism derived by stability analysis. A robust control term is used to compensate the approximation error of the fuzzy system for asymptotic tracking of a desired trajectory. The controller is robust against all uncertainties associated with the robot manipulator and actuators. It is easy to implement since it requires only the joint position feedback. Compared with fuzzy controllers which employ all states to guarantee stability, the proposed controller is very simpler. Stability analysis and simulation results show its efficiency in the tracking control.     

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.