柔性机械臂的两种逆动力学方法

本文提出了柔性机械臂运动控制和振动抑制的两种有效的开环控制方法——两点边值逆动力学方法和轨迹规划逆动力学方法。两种逆动力学方法所设计的开环输入不仅可以实现柔性机械臂的点位运动或跟踪优化轨迹，而且同时显著降低或消除了结构柔性对其精确定位的影响。数值模拟和实验证实了理论分析结果     

带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂主动控制

对带有末端集中质量的双连杆柔性机械臂的主动控制进行了研究,给出系统的动力学方程,采用非线性解耦反馈控制方法分别得出系统大范围运动方程和柔性臂的动力学方程,采用机械臂逆动力学方法和LQR方法分别设计大范围运动控制律和压电作动器控制律.仿真结果显示,本文控制方法能够有效地进行机械臂的轨迹跟踪,柔性臂的弹性振动可以得到有效抑制.     

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.      

机械臂臂杆刚度主动控制下的末端振动特性研究

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.      

RESEARCH ON VIBRATION CHARACTERISTICS OF THE MANIPULATOR END UNDER ACTIVE CONTROL OF ARM STIFFNESS$^{\bf 1)}$

机械臂在运动过程中会因臂杆柔性引发结构变形和弹性振动,降低机械臂末端的定位精度和运动稳定性,将结构振动控制方法用于机械臂的振动抑制研究具有重要意义. 基于变刚度主动控制的设计思想,提出了臂杆刚度主动控制方法,通过改变机械臂臂杆的轴向受力状况来主动改变机械臂的刚度. 采用变形耦合法描述了机械臂的非线性变形,进而结合假设模态法和拉格朗日方程建立了臂杆的变刚度动力学模型,并进行了数值仿真. 在此基础上,设计了基于臂杆刚度主动控制方法的单自由度实验台,分析了不同预紧力下机械臂末端的振动特性. 数值仿真和实验结果表明,随着预紧力的增加,机械臂末端的振动幅值得到衰减,验证了臂杆刚度主动控制方法的有效性. 通过采用响应面法建立了机械臂末端的振动响应与预紧力的关系,并基于内部映射牛顿法的子空间置信域法优化算法对预紧力进行了优化分析,得到了最优预紧力. 该研究可为机械臂的精细动力学建模和振动抑制提供一定的理论依据,并为研究经济型低刚度材料的刚化问题提供了方向,以利用廉价低刚度材料取代目前所应用的昂贵高刚度材料.     

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。     

柔性机械臂运动轨迹变结构双模控制

本文针对柔性机械臂运动轨迹的控制问题，采用假设模态法，利用Ｋａｎｅ春动力学模型，采用变结构控制理论跟踪关节转角的运动轨迹，当关切转角到达其终点的领域时，利用线性稳态器来控制末端点的弹性振动。提出了一种弯以模控制算法，并将其应用于单杆柔性机械臂的控制中，文中最后给出仿真研究结果，验证了该算法的有效性。     

漂浮基柔性两杆空间机械臂的关节运动鲁棒控制与柔性振动最优控制

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,具有有界干扰及有界未知参数的漂浮基柔性两杆空间机械臂的具有鲁棒性的关节运动控制与柔性振动最优控制算法设计问题。首先选择合理的联体坐标系,利用拉格朗日方程并结合动量守恒原理得到漂浮基柔性两杆空间机械臂系统的动力学方程。通过合理选择联体坐标系与利用奇异摄动理论,实现了两个柔性杆柔性振动之间、关节运动与两柔性杆柔性振动的解耦,得到了柔性两杆空间机械臂的慢变子系统与柔性臂快变子系统。针对两个子系统设计相应的控制规律,即增广鲁棒慢变子系统控制律与柔性臂快变子系统最优控制律,这两个相应的子系统控制规律综合到一起构成飘浮基柔性两杆空间机械臂总的关节运动与臂柔性振动控制的组合控制律。系统的数值仿真证实了方法的有效性。该控制方案不需要直接测量漂浮基的位置、移动速度和移动加速度。     

漂浮基柔性两杆空间机械臂的关节运动鲁棒控制与柔性振动最优控制Robust joint motion control and vibration optimal control for a free-floating two-flexible-link space manipulator

讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,具有有界干扰及有界未知参数的漂浮基柔性两杆空间机械臂的具有鲁棒性的关节运动控制与柔性振动最优控制算法设计问题。首先选择合理的联体坐标系,利用拉格朗日方程并结合动量守恒原理得到漂浮基柔性两杆空间机械臂系统的动力学方程。通过合理选择联体坐标系与利用奇异摄动理论,实现了两个柔性杆柔性振动之间、关节运动与两柔性杆柔性振动的解耦,得到了柔性两杆空间机械臂的慢变子系统与柔性臂快变子系统。针对两个子系统设计相应的控制规律,即增广鲁棒慢变子系统控制律与柔性臂快变子系统最优控制律,这两个相应的子系统控制规律综合到一起构成飘浮基柔性两杆空间机械臂总的关节运动与臂柔性振动控制的组合控制律。系统的数值仿真证实了方法的有效性。该控制方案不需要直接测量漂浮基的位置、移动速度和移动加速度。     

双连杆柔性机械臂系统中的一种实时的准静态分离方法

对于在铅垂平面内运动的双连杆柔性机械臂系统，本文提出一种从检测应变信号中，进行实时准静态分离的方法，实现了在端点轨迹跟踪控制中对弹性振动的有效控制。     

Study on vibration reduction and mobility improvement for?the flexible manipulator via redundancy resolution

The flexible redundant manipulator, i.e., the flexible manipulator with redundant rigid degrees of freedom, possesses the same kinematic redundancy property as the rigid redundant manipulator. Some undesired effects on the flexible redundant manipulator are expected to alleviate via kinematic redundancy. Due to the presence of structural flexibility, a manipulator will inevitably vibrate when performing tasks. Therefore, how to reduce its vibration responses is a significant problem. Moreover, the manipulator??s mobility, i.e., its ability to move, is another important issue, because good mobility is a desirable goal for almost all robotic manipulator systems. In this paper, how to reduce vibration and improve mobility is studied for the flexible redundant manipulator. Firstly, a method for vibration control via redundancy resolution is put forward. Secondly, the self-motions satisfying vibration reduction are analyzed, and its additional optimization ability is revealed. Based on this ability, a strategy is proposed to both reduce vibration and improve mobility for the flexible redundant manipulator. Finally, simulation results demonstrate the effectiveness of this strategy.     

Motion control of the flexible manipulator via controllable local degrees of freedom

In order to improve motion accuracy of the flexible manipulator, an idea of using its topological characteristics to suppress vibration is suggested. The concept of controllable local degree of freedom is proposed and introduced to the topological structure of the flexible manipulator. It is shown that the arbitrary motion provided by the controllable local degrees of freedom plays an important role in eliminating undesired effects of the flexibility. On this basis, a method for reducing motion error of the flexible manipulator is put forward. By planning the motion of controllable local degrees of freedom, the appropriate control force can be constructed to increase the damping force and eliminate the exciting force of the flexible manipulator, thereby improving the end-effector accuracy. The results, demonstrated by the numerical simulations, are highly promising and suggest that controllable local degrees of freedom can be a useful tool in combating the undesired vibration deformation of the flexible manipulator.     

Dynamic modeling and wind vibration control of the feed support system in FAST

The Feed Support System (FSS) addressed here is the receiver carrier of the Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope (FAST) in China. The FSS is a complex hybrid manipulator, which consists of a cable-driven Stewart manipulator, an A–B rotator and a rigid Stewart manipulator. The cable-driven Stewart manipulator, which is a long-span flexible cable structure, is sensitive to the wind disturbance and induces the FSS vibration. The rigid Stewart manipulator is designed to suppress the vibration and improve the terminal accuracy of the FSS. In the paper, the elastic dynamic model of the cable-driven Stewart manipulator is deduced by simplifying the flexible cable as the spring damping model, while the rigid-body dynamic model of the A–B rotator and the rigid Stewart manipulator is obtained in detail, using the Newton–Euler method. The internal coupling forces of the FSS are figured out. The wind disturbance model is established according to the Davenport spectrum. By adopting the kinematic and dynamic parameters of the FAST prototype, the simulation model of the FSS is completed. Kinematic and dynamic vibration control strategies are evaluated with simulations. Results show that the dynamic vibration suppression strategy well satisfies the FSS terminal accuracy requirement, keeps the rigid Stewart manipulator working with reasonable driving forces, and should be adopted in the control system of the FAST prototype.     

Vibration analysis of a planar multilink manipulator using a reduced-order matrix formulation

The main scope of this paper is both to provide an efficient formulation for deriving natural frequencies and mode shapes of a multilink flexible manipulator in an arbitrary posture and discuss the importance of introducing axial deformations along with transversal ones in the same postures. The free vibration problem is solved through a global transfer matrix formulation, which is obtained by opportunely assembling the transfer matrices of links and joints associated with the desired configuration of the robot. The formulation has been chosen in order to keep the same matrix order of the problem, regardless of the number of links of the manipulator. Manipulator links are treated as Timoshenko beams by accounting for both axial loading capability and mass/inertial effects due to the joint actuators. Numerical comparisons between the solutions derived herein and those obtained through existing formulations highlight the importance of the proposed model within the frame of multilink flexible manipulators. A forced vibration analysis is finally presented for a two-link manipulator.     

弹性关节空间机械臂级联智能滑模控制

谐波减速器和力矩传感器等柔性元件因其独特性能而广泛应用在空间机器人关节系统中,以获取高减速比．但同时这些柔性元件的存在为空间机械臂系统引入了关节柔性,使得对其稳定控制变得更为复杂．基于此,文中讨论了基于自适应回归小波神经网络(Self-Recurrent Wavelet Neural Networks, SRWNN)的弹性关节空间机械臂系统动力学建模及级联智能滑模控制．首先,利用级联系统理论及第二类拉格朗日方法推导出了由外环刚性臂子系统和内环关节电机转子子系统组成的系统级联动力学模型;其次,为两个子系统分别设计了内、外环自适应滑模回归小波神经网络控制．外环控制算法以期望轨迹为控制量,而其控制信号作为抑制弹性关节振动的内环控制算法的控制量,整个控制系统由内、外环控制系统叠加而成;而后,基于Lyapunov稳定性理论证明了整个控制系统的稳定性并设计了自适应回归小波神经网络的各权值参数在线学习算法．所提的控制算法有效地消除了模型不确定的影响,避免了复杂的求导计算和角加速度可测的要求,同时,控制系统设计过程中未涉及惯常奇异摄动双时标分解操作,在理论上适合任意大小的关节柔性刚度．最后,系统对比仿真试验证明了所提的级联智能控制算法优于惯常基于奇异摄动法和基于柔性铰补偿奇异摄动法的控制方案．     

Control and Parameter Optimization of Flexible Robots*

A hierarchical control concept for flexible robot manipulators is presented. The equations of motion are derived using the multibody system method, incorporating flexible links equipped with surface bonded actuating and sensing devices. Exploiting the structure of the dynamic model, the control concept allows combination of any joint level control for the gross motion of the manipulator with decentralized linear control of the elastic deformation of each flexible link. Therefore, the approach is capable of solving both the problem of fast and precise point-to-point motion, with acceptable vibration characteristics, and the problem of accurate trajectory tracking of the end-effector. Control parameters are found through parameter optimization. In order to verify the proposed control strategy, a SCARA robot with one flexible link is considered.     

航天器太阳帆板振动抑制的输入整形方法研究

利用输入整形与PD(比例微分)控制相结合的主动振动控制策略,在保证航天器完成三轴姿态机动的同时抑制太阳帆板的振动。首先,基于角动量定律和拉格朗日法建立了带挠性太阳帆板航天器的动力学模型。然后,在动力学模型的基础上,采用PD控制作为航天器三轴姿态机动的控制策略,利用挠性太阳帆板各阶模态的固有频率和阻尼比得到系统的输入整形器,对原始姿态机动的脉冲进行输入整形前馈控制,以抑制太阳帆板各阶模态的振动。仿真结果表明:两种输入整形方法均能抑制太阳帆板的振动,ZV(零残余振动)输入整形器简单且脉冲数量少,输入时间较短,但对于参数摄动以及输入的微小误差比较敏感,抑制振动的效果难以满足零残余振动的标准;ZVD(微分零残余振动)输入整形器脉冲数量较多,具有一定量的延时,但更为高效,鲁棒性强,能够极大地抑制挠性太阳帆板的残余振动,缩短航天器的机动稳定时间,且整个机动过程更加平稳。     

考虑热应变的柔性并联空间机械臂动力学

研究考虑热应变的柔性并联空间机械臂动力学性态。用Jourdain速度变分原理建立各机械臂的动力学变分方程,在此基础上根据各物体之间的运动学约束关系,建立柔性多体系统的微分代数混合动力学方程。数值仿真结果表明,当温度升高时,机械臂的轴向约束力和中心刚体的质心运动速度均出现显著振荡,而适当减小温度变化率,可以有效地控制振幅。