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带扩展卡尔曼滤波的柔性关节机器人虚拟分解控制

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控制理论与应用 2018年第6期35卷 850-858页

作者：刘华山李生王保相东华大学信息科学与技术学院上海201620

针对柔性关节机器人在非完全状态反馈条件下的轨迹跟踪控制问题,本文提出一种基于虚拟分解控制(virtual decomposition control,VDC)理论和扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filtering,EKF)观测的控制方法.首先,考虑模型参数的不确定性... 详细信息

针对柔性关节机器人在非完全状态反馈条件下的轨迹跟踪控制问题,本文提出一种基于虚拟分解控制(virtual decomposition control,VDC)理论和扩展卡尔曼滤波(extended Kalman filtering,EKF)观测的控制方法.首先,考虑模型参数的不确定性和外界扰动因素,分别设计刚性连杆子系统和柔性关节子系统的虚拟分解控制律.然后,为突破现有VDC方法依赖于全状态反馈测量的局限,设计一种基于EKF的间接状态观测器,实现了仅需电机侧位置和速度测量而不需连杆侧任何状态信息测量的闭环控制.此外,结合虚拟稳定和李雅普诺夫稳定理论给出了严格的系统稳定性证明.最后,实例对比仿真验证了所提出控制算法的有效性,且相比于基于传统拉格朗日整体动力学的典型算法,具有更优的轨迹跟踪性能.

关键词：机器人柔性关节虚拟分解控制扩展卡尔曼滤波轨迹跟踪

基于虚拟分解控制的液压足式机器人单腿稳定阻抗控制

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机器人 2017年第5期39卷 704-714页

作者：陈光荣王军政赵江波马立玲沈伟北京理工大学复杂系统智能控制与决策国家重点实验室北京100081

虽然非线性模型控制法可以很好地解决机器人柔顺性力接触问题,但也增加了复杂机器人高非线性动态建模控制的复杂度.对此,本文提出了一种基于虚拟分解控制的液压足式机器人单腿稳定阻抗控制.首先,给出了虚拟分解控制的数学基础.然后,将... 详细信息

虽然非线性模型控制法可以很好地解决机器人柔顺性力接触问题,但也增加了复杂机器人高非线性动态建模控制的复杂度.对此,本文提出了一种基于虚拟分解控制的液压足式机器人单腿稳定阻抗控制.首先,给出了虚拟分解控制的数学基础.然后,将液压足式机器人单腿与无质量虚拟机械手串联成一个合成机械手,利用虚拟分解控制方法将合成机械手分解成由连杆和关节被控体组成的子系统链,运用虚拟分解控制的虚拟功率流和虚拟稳定性特性分析各子系统和无质量虚拟机械手的运动学、动力学、控制及虚拟稳定性,同时分析合成机械手的环境交互动态稳定性,接着给出一种既能保证系统稳定性又能实现理想阻抗性能的系统控制律增益.最后,将其运用到液压足式机器人单腿系统中进行验证,实验结果证明该方法不仅可以有效地减小机器人接触力,还能很好地跟踪目标阻抗.

关键词：足式机器人阻抗控制虚拟分解控制虚拟功率流稳定性分析

基于张力网络的冗余串并联机构虚拟分解控制研究

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基于张力网络的冗余串并联机构虚拟分解控制研究

作者：陈晓阳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

基于张力网络的结构具有一定柔性,且各机械杆件间没有直接的接触,因此降低了各构件之间的摩擦,机械效率较好。已经有学者将张力网络与并联机构结合作为一个关节进行串并联机构的设计。这种设计较容易实现机构的大型化以及变刚度方面的研... 详细信息

基于张力网络的结构具有一定柔性,且各机械杆件间没有直接的接触,因此降低了各构件之间的摩擦,机械效率较好。已经有学者将张力网络与并联机构结合作为一个关节进行串并联机构的设计。这种设计较容易实现机构的大型化以及变刚度方面的研究,具有很大的潜力。但串并联机构结构上的复杂性也在其控制研究方面带来了困难,这也是串并联机构问题研究中的难点。虚拟分解控制理论将复杂系统分解为子系统,并通过“虚拟功率流”概念将各子系统连接起来,实现了解耦并降低了建模复杂度,这为解决串并联机构的控制复杂性问题提供了思路。本文针对带有张力网络的双层冗余串并联机构采用虚拟分解控制的方法进行研究。本文所研究的双层冗余串并联机构共具有四个自由度,其中每一层都通过刚性连杆把上平台和由钢丝绳构成的张力网络相固连形成张拉关节,并由八根气动人工肌肉进行驱动实现两个旋转自由度的运动。虚拟分解控制是一种基于模型的控制方法,因此本文首先针对要研究的双层冗余串并联机构建立了其数学模型。针对串并联机器人结构较为复杂的问题,在运动学分析中将每层基于张力网络的并联机构视为柔性关节,先进行柔性关节的并联机构运动学分析,再进行串并联机构的运动学分析。从而得到了机构末端点位姿与各执行器长度间的关系,以及实验台的工作空间。采用了牛顿欧拉法建立实验台机械系统的动力学模型,并进行了仿真分析,为冗余串并联机构的虚拟分解控制研究奠定了基础。重力对于冗余串并联机构实验台大型化设计具有重要的影响,考虑到重力与各层气动人工肌肉负载特性曲线之间的对应关系,以及气动人工肌肉只能单向出力的特点,提出了一种力分配算法,同时提出了双层冗余串并联机构自由度实现方式以及机构的总体控制策略。冗余串并联机构动力学算法的计算复杂度随关节数的增加而急剧增加,针对这一问题引入了虚拟分解控制的方法来降低计算复杂度并提高模型的扩展性,并使用“虚拟功率流”等概念来分析控制系统的稳定性。同时,搭建了双层串并联机构的虚拟分解控制器以及惯性参数自适应辨识模块,并进行了相关的仿真分析,验证了虚拟分解控制方法可以应用于冗余串并联机构,通过相关指标分析认为其可以取得较好的控制效果。

关键词：冗余串并联机构虚拟分解控制气动人工肌肉张力网络

基于虚拟分解控制的混联重载液压臂高精度运动控制方法研究

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基于虚拟分解控制的混联重载液压臂高精度运动控制方法研究

作者：詹伟杰重庆大学

学位级别：硕士

如今自然灾害频发,给各国人民带来巨大的损失。在灾后救援中,通常采用挖掘机等通用大型工程机械来搬运重物,存在作业精度差,搬运效率低的问题。为此,各国都在研发专用的救援装备,以提高救援效率。本文以液压重载双臂机器人为对象,首先对... 详细信息

如今自然灾害频发,给各国人民带来巨大的损失。在灾后救援中,通常采用挖掘机等通用大型工程机械来搬运重物,存在作业精度差,搬运效率低的问题。为此,各国都在研发专用的救援装备,以提高救援效率。本文以液压重载双臂机器人为对象,首先对7自由度的单臂采用虚拟分解控制方法来提高轨迹跟踪精度,然后利用液压缸/摆动缸的压力传感器估计出机械臂末端的接触力,再由估计出的接触力为机械臂添加变阻抗控制,最后针对双臂共同搬运重物的场景,在双臂上添加内外环阻抗控制,实现了内力与外力的分层调控。论文主要研究内容如下:针对液压机械臂强非线性、控制精度低的特点,使用虚拟分解控制方法来提高轨迹跟踪精度。首先将整个机械臂拆分为多个刚体,对每个刚体建立运动学、动力学以及流体动力学模型,实现了液压机械臂的高精度控制。相比于传统的建模方法,虚拟分解控制具有易调整,推导过程简单,计算速度快,可应用于非线性控制的特点。针对液压机械臂末端无六维力传感器的情况,采用软测量思想估计出机械臂末端的接触力。此方法利用液压缸两腔的压力传感器再根据液压缸受力情况,分析出每个关节所承受的负载力,最后结合虚功原理求解出末端所承受的负载力。针对液压机械臂与被夹持物体和环境交互的情况,采用变阻抗控制使机械臂具有一定的柔顺性。此方法与虚拟分解控制过程相结合,根据期望的阻抗特性反推出虚拟分解控制的需求速度,在没有更改整体控制框架的情况下实现了变阻抗控制。为解决单臂搬运重物效率低的问题,开展了双臂紧协调搬运重物的研究。首先采用负载分配方法将被夹持重物所受的力分配到左右臂上,然后使用内外力分解方法将机械臂末端的力分解为内力和外力,把内力和外力接入基于位置误差的变阻抗控制,分别对内力和外力进行调节。实验中机械臂共同夹持重物运动,且与环境发生接触,结果表明双臂不仅能调节外力,还能控制内力在适当范围内。

关键词：虚拟分解控制软测量变阻抗控制双臂协同

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2-6UCU型串并联机构的虚拟分解控制

2-6UCU型串并联机构的虚拟分解控制

作者：刘阳哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的不断发展,人们对于复杂的超自由度的机构的研究越来越多,串并联机构就是其中典型的代表。在一定程度上,串并联机构可以兼具串联机构和并联机构的优点,在一些特殊的场合有着独特的应用。但对于这种复杂机构的控制,特别是... 详细信息

随着科学技术的不断发展,人们对于复杂的超自由度的机构的研究越来越多,串并联机构就是其中典型的代表。在一定程度上,串并联机构可以兼具串联机构和并联机构的优点,在一些特殊的场合有着独特的应用。但对于这种复杂机构的控制,特别是基于模型的高精度控制一直是研究的难点,著名学者朱文宏提出了一种面向复杂机器人的控制方式——虚拟分解控制,为实现串并联机构的精确控制提供了思路。本文首先对串并联机构和虚拟分解控制的基本做了简要的说明。然后根据虚拟分解控制的研究方法和串并联机构独特的结构特点,确定了串并联机构的虚拟分解方案。即利用模块化的虚拟分解思想,将串并联机构类比为串联机构进行虚拟分解,在将虚拟分解得到的并联机构子系统进行二次虚拟分解,从而确定了全文的整体研究思路。完成并联机构的虚拟分解是实现串并联机构虚拟分解的基础,目前,尚未有相关文献实现对并联机构的虚拟分解。所以,并联机构的虚拟分解成为了本文研究的一个重点。本文将虚拟分解控制的应用拓展到了并联机构领域,建立了并联机构完整的虚拟分解运动学和动力学模型,在这个过程中利用虚拟分解控制中提出的负载分配方法,结合牛顿欧拉法,解决了并联机构的负载分配问题,并给出了完整解析解。本文还利用Simulink搭建了系统的模型进行仿真,验证虚拟分解控制的有效性。为实现串并联机构的虚拟分解控制,本文借鉴串联机构的研究方法,利用牛顿迭代算法实现了串并联机构的运动学反解。再结合并联机构的虚拟分解控制方法,本文迅速地实现了串并联机构的虚拟分解控制。虽然串并联机构结构复杂,而且公式繁多,但是这种方式在思路上变得非常简单。建模完成之后,依然使用Simulink进行仿真,验证虚拟分解控制的有效性。最后,本文针对并联机构和串并联机构进行了相关实验,利用轨迹跟踪正弦响应来分析虚拟分解控制的实际控制效果,通过PID控制和虚拟分解控制的对比来说明虚拟分解控制的优越性。

关键词：并联机构串并联机构虚拟分解控制动力学

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闭链级混联式液压机械臂运动控制方法

机电工程 2024年第9期41卷 1540-1553页

作者：何嘉懿张道德王君明湖北工业大学机械工程学院湖北武汉430000

针对含有多个闭链结构的液压机械臂非线性强、控制精度低等特点,采用了虚拟分解控制方法消除了系统非线性引入的误差,以提高其控制精度。首先,根据驱动方式不同将整个机械臂分解为四类结构,针对每一类结构再将其虚拟分割成每一子系统,... 详细信息

针对含有多个闭链结构的液压机械臂非线性强、控制精度低等特点,采用了虚拟分解控制方法消除了系统非线性引入的误差,以提高其控制精度。首先,根据驱动方式不同将整个机械臂分解为四类结构,针对每一类结构再将其虚拟分割成每一子系统,对每个子系统分别建立了刚体动力学模型、液压执行器流体动力学模型;然后,基于刚体动力学模型和流体动力学模型分别设计了刚性连杆控制律和液压执行器控制律,其前馈控制量和误差反馈量是高精度控制的基础;最后,使用Simulink的Simscape模块建立了该机械臂的多物理域混合模型,进行了轨迹跟踪效果验证,同时引入了控制性能指标,在不同机械臂的液压执行器空间进行了计算。研究结果表明:相比于比例-积分-微分控制器,基于虚拟分解控制理论搭建的控制器控制精度提升较大,单关节平均绝对误差最大降低了88.9%,且控制效果与其他较先进液压控制器的性能指标相近。针对含复杂闭链结构的混联式液压机械臂,采用虚拟分解控制理论能有效提升控制精度。

关键词：凿岩机器人混联式机械臂虚拟分解控制动力学模型控制方法比例-积分-微分控制器

基于VDC理论的多关节耦合联动机器人建模、分析与控制

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基于VDC理论的多关节耦合联动机器人建模、分析与控制

作者：夏玮东华大学

学位级别：硕士

在机器人本体的工程设计中,通常将RV减速器等刚性传动机构置于重负载、大惯量关节处,构成刚性关节,以确保机器人具有足够的刚度和基本的精度,将更紧凑轻盈的谐波减速器等具有柔性特征的传动机构置于轻负载、小惯量关节处,构成柔性关节,... 详细信息

在机器人本体的工程设计中,通常将RV减速器等刚性传动机构置于重负载、大惯量关节处,构成刚性关节,以确保机器人具有足够的刚度和基本的精度,将更紧凑轻盈的谐波减速器等具有柔性特征的传动机构置于轻负载、小惯量关节处,构成柔性关节,提升动力学性能并降低柔性的影响。由于这两种类型传动机构的特性存在较大差异,导致由其各自构成的关节的动力学截然不同,进而给这种关节驱动装置混搭的刚柔关节耦合联动机器人的整体建模、分析和控制带来很大挑战。本文以两类多关节串联结构机器人作为研究对象,包括具有刚性连杆和刚性关节的刚性机器人,以及具有刚性连杆且由刚性关节和柔性关节耦合联动的刚柔关节耦合联动机器人,不同于现有常用的拉格朗日整体动力学方法,基于虚拟分解控制（Virtual Decomposition Control,VDC）理论探讨了机器人的建模、分析与控制问题。（1）对于刚性机器人对象,运用虚拟分割方法将其分解为连杆子系统和关节子系统,并在各个子系统上设置坐标系。首先,在运动学分析中推导了每个关节的速度与各个坐标系的广义速度之间的映射关系。然后,建立了每个连杆子系统和关节子系统的动力学模型。接着,考虑模型的不确定性,对每个子系统分别设计了控制律。其次,基于虚拟功率流概念探讨了各个子系统以及整体系统的稳定性。最后,在六自由度刚性机器人上进行了轨迹跟踪仿真实验验证。（2）对于刚柔关节耦合联动机器人对象,针对传统自适应控制器在设计过程中需要大量精确模型参数的弊端,对刚性连杆子系统和刚性关节子系统设计了自适应神经网络控制器,对柔性关节子系统设计了自适应控制律,大幅降低了控制器的设计对精确模型参数的依赖性,简化了控制方案,提升了工程应用的可行性。在六自由度刚柔关节耦合联动机器人对象上的轨迹跟踪仿真实验结果,验证了所提出的基于VDC理论的自适应神经网络控制框架的有效性和优越性。

关键词：机器人虚拟分解控制柔性关节耦合联动自适应控制神经网络轨迹跟踪