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.     

一种基于Dijkstra算法的机器人避障问题路径规划

移动机器人的避障问题是移动机器人控制领域的研究热点.针对给定的移动机器人避障问题,探讨了最短路径及最短时间路径的路径规划问题.对于最短路径问题,建立了简化的路径网格模型,将其抽象为由节点及边构成的两维图,再使用经典的Dijkstra算法获得可行的最短路径.对于最短时间路径问题,通过分析移动机器人弯道运行的速度曲线,基于几何方法得出了移动时间与过渡圆弧圆心之间严格的数学关系,此后借助MATLAB优化函数获得最佳的移动路径.算法可为类似机器人避障问题的解决提供借鉴.     

Beamline AR‐NW12A: high‐throughput beamline for macromolecular crystallography at the Photon Factory

AR‐NW12A is an in‐vacuum undulator beamline optimized for high‐throughput macromolecular crystallography experiments as one of the five macromolecular crystallography (MX) beamlines at the Photon Factory. This report provides details of the beamline design, covering its optical specifications, hardware set‐up, control software, and the latest developments for MX experiments. The experimental environment presents state‐of‐the‐art instrumentation for high‐throughput projects with a high‐precision goniometer with an adaptable goniometer head, and a UV‐light sample visualization system. Combined with an efficient automounting robot modified from the SSRL SAM system, a remote control system enables fully automated and remote‐access X‐ray diffraction experiments.     

Large bending behavior of creased paperboard. I. Experimental investigations

The large bending behavior of a creased paperboard is studied in the range of rotation θ ? [0°, 180°] – new results, apparently not reported previously in literature – with the aim to point out some crucial aspect involved in an adaptive robotic manipulation of the industrial cartons.The loading tests show a great variability of the mechanical behavior, depending dramatically on the crease indentation depth (also for the specimens obtained from the same carton): (a) when the damage induced during the crease formation is relatively small, the bending response is unusually complex: the moment constitutive function, m_L(θ), presents (up to) two peaks followed by unstable branches; (b) for greater indentation, the m_L(θ) is monotone.In the unloading case the response m_U(θ) is always monotone and is practically independent of the formation conditions of the crease. These behaviors can be easily described analytically using (piecewise) third degree splines.In a companion paper, the erection of a typical carton corner with unstable constitutive behavior is fully analyzed to detect the possible criticalities.     

非理想光照下基于全景图像的足球机器人目标拟合与提取算法

以“旅行家3号(Voyager-III)”移动机器人为研究对象,探讨全景视觉下目标足球的椭圆拟合与提取算法.通过对现有的随机 Hough 变换方法和非线性最小二乘方法的对比,并探讨两者在不含有噪声影响和有孤立点存在影响下的1/2和1/4椭圆拟合结果,对计算的复杂度和实时性性能作出评价.在非理想光照条件下,利用 Markowitz 投资组合模型进行足球目标的特征提取,可使目标与背景边缘的差异性得到增强,目标边缘清晰,为后续全景视觉下圆形畸变后的椭圆拟合与提取去除噪声.实验表明,该方法适用于足球机器人比赛应用实际,识别结果准确、可靠.     

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.      

3-PRS并联机器人惯量耦合特性研究

惯量是影响机器人动态性能的主要因素,并联机器人因其多支链耦合的结构特点,关节空间各驱动轴出现惯量耦合的动力学特性,在高速、高加速度运动时易引起控制超调、振动等现象,破坏机器人的动态性能,因此研究并联机器人惯量耦合特性具有重要意义. 以3-PRS 并联机器人为例,通过虚功原理求得惯量矩阵,提出惯量耦合指标,该耦合指标表征了并联机器人在工作空间不同位姿时各驱动轴的耦合惯量大小,并给出了该耦合指标在机器人工作空间内的分布规律. 进一步在一台3-PRS 并联机器人样机上进行了实验验证,结果表明耦合惯量会改变驱动轴负载,负载的改变将最终影响动态性能. 同时各驱动轴的负载变化量随着惯量耦合指标的变大而变大,与理论分析有较好的一致性. 研究成果可帮助评价并联机器人的动力学耦合特性,并可用于并联机器人的结构参数优化及伺服参数调试以提高机器人的动态性能.      

自由漂浮空间机器人路径优化的Legendre伪谱法

基于Legendre 伪谱法研究自由漂浮空间机器人非完整路径规划的最优控制问题. 自由漂浮是空间机器人执行任务常用的工作模式,其路径优化是空间机器人完成复杂空间任务的基础. 由于空间机器人不具有固定基座,机械臂和载体之间存在非完整约束,使得自由漂浮空间机器人路径规划完全不同于地面机器人而变得具有挑战性. 本文提出自由漂浮空间机器人路径规划的最优控制伪谱方法. 首先,利用多体动力学理论建立自由漂浮空间机器人动力学模型,给定系统的初始和目标位形,选取机械臂关节耗散能最小为性能指标,并考虑实际控制输入受限,建立其路径规划的Bolza 问题. 然后,应用Legendre 伪谱法,将状态和控制变量在Legendre-Gauss-Lobatto (LGL) 点上离散,并构造Lagrange 插值多项式逼近系统状态和控制变量,将连续路径优化问题离散化为非线性规划问题求解. 最后通过数值仿真表明,应用Legendre 伪谱法求解自由漂浮空间机器人非完整路径规划问题,得到的机械臂和载体最优运动轨迹,较好地满足各种约束条件,且计算精度高、速度快,并具有良好的实时性.      

多体系统轨迹跟踪的瞬时最优控制保辛方法

随着近年来机器人在各行业领域的广泛应用,对机器人的动力学与控制性能不断提出新的要求,特别是对设计越来越复杂、操作越来越灵巧的智能机器人,要求其能够对目标轨迹实现高精度跟踪以满足实际工作需求. 因此,针对机器人多体系统对目标轨迹跟踪的任务需求,基于微分代数方程提出瞬时最优控制保辛方法. 首先,采用多体动力学绝对坐标建模方法建立机器人系统的普适动力学方程,即微分代数方程;然后,采用保辛方法将连续时间域内的微分代数方程进行离散化,进而得到以当前位置、速度和拉式乘子为未知量的非线性代数方程组;其次,通过引入对目标轨迹跟踪以及对控制加权的瞬时最优性能指标,根据瞬时最优控制理论获得当前最优控制输入;最后,通过离散时间步的更新完成对目标轨迹的跟踪任务. 为了验证本文方法的有效性,以双摆轨迹跟踪控制为例进行了数值仿真,结果表明:针对机器人轨迹跟踪任务所提出的瞬时最优控制保辛方法能够实现对目标轨迹的高精度跟踪,且瞬时最优控制由受控微分代数方程推导获得,更具一般性,能够适应其他复杂多体系统的轨迹跟踪控制问题.      

一种新的双足机器人模型设计与相关研究

针对双足机器人最简模型在行走过程中出现摆动腿足部擦地的问题,提出了一种通过摆动腿膝关节弯曲达到摆动腿缩短的新模型。当摆动腿开始摆动时,摆动腿膝关节弯曲锁定,摆动腿缩短;当摆动腿摆动到最大位置时,膝关节解锁,摆动腿伸直再锁定,此后摆动腿回摆,系统变为直腿模型。采用脚后跟冲击控制,在摆动腿落地前,拖后的支撑腿与地面接触处施加一指向髋关节的瞬时冲击力,冲击力可以减小摆动腿着地时能量的损耗,同时驱动被动机器人向前行走。设计了迭代学习控制算法,找到极限环与不动点,实现不同给定期望步长跟踪的冲击力的计算。仿真结果表明,迭代学习控制可以有效的实现不同期望步长的跟踪,可以很快的找到机器人系统的不动点,通过收敛的相平面,得到稳定的极限环,保证了机器人行走过程稳定。