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变刚度连续型机械臂设计与控制

宇航学报 2018年第12期39卷 1391-1400页

作者：耿仕能王友渔陈丽莎王聪康荣杰天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室天津300350 北京空间飞行器总体设计部北京100086 天津工业大学机械工程学院天津300387

针对空间机械臂碰撞过程中产生的冲击和破坏问题,提出一种能被动适应碰撞且能保证操作精度的可变刚度丝驱动连续型机械臂。在以超弹镍钛合金丝为支撑脊椎和驱动部件的基础结构上,设计了一种利用温控记忆合金改变关节内摩擦力的变刚度方... 详细信息

针对空间机械臂碰撞过程中产生的冲击和破坏问题,提出一种能被动适应碰撞且能保证操作精度的可变刚度丝驱动连续型机械臂。在以超弹镍钛合金丝为支撑脊椎和驱动部件的基础结构上,设计了一种利用温控记忆合金改变关节内摩擦力的变刚度方法。通过运动学分析得到机械臂驱动空间、构型空间和工作空间之间的坐标映射及速度雅克比矩阵,并结合末端位置反馈设计了一个稳定的闭环运动控制器。在检测丝驱动力的基础上提出了一种碰撞识别方法和相应的变刚度控制策略。运动控制和变刚度控制的实验结果表明该连续型机械臂具有良好的运动控制精度和刚度调节能力。

关键词：连续型机械臂变刚度太空操作

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线驱连续型机械臂无模型自适应控制

华中科技大学学报（自然科学版） 2023年第2期51卷 116-121页

作者：郑先杰丁萌武海雷郭毓南京理工大学自动化学院江苏南京210094 上海航天控制技术研究所上海201109

针对连续型机械臂建模与控制问题,提出了一种基于无模型自适应控制的线驱连续型机械臂末端三维空间位置控制算法.根据机械臂驱动线缆长度变化和末端位置,采用紧格式动态线性化方法,将连续型机械臂的复杂非线性模型等价为增量式动态线性... 详细信息

针对连续型机械臂建模与控制问题,提出了一种基于无模型自适应控制的线驱连续型机械臂末端三维空间位置控制算法.根据机械臂驱动线缆长度变化和末端位置,采用紧格式动态线性化方法,将连续型机械臂的复杂非线性模型等价为增量式动态线性时变模型,在此基础上,设计了伪雅可比矩阵估计及重置算法及末端位置无模型自适应控制算法,具有不依赖系统数学模型和控制器参数自适应的优点.建立了连续型机械臂的ADAMS虚拟样机,并与Matlab进行联合仿真,验证了所提方法的有效性.

关键词：线缆驱动连续型机械臂三维空间无模型自适应控制紧格式动态线性化

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连续型机械臂逆运动学求解算法研究

机械设计与制造 2023年第4期386卷 287-290,295页

作者：王凯赛华阳徐振邦中科院空间光学系统在轨制造与集成重点实验室中科院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

针对连续型机械臂逆运动学难以求解问题,这里研究了一种面向线驱动三段九自由度连续型机械臂的逆运动学求解方法,利用分段常曲率的方法建立连续型机械臂的运动学模型,在此模型基础上提出了能够有效求解连续型机械臂逆运动学的算法。通... 详细信息

针对连续型机械臂逆运动学难以求解问题,这里研究了一种面向线驱动三段九自由度连续型机械臂的逆运动学求解方法,利用分段常曲率的方法建立连续型机械臂的运动学模型,在此模型基础上提出了能够有效求解连续型机械臂逆运动学的算法。通过文中提出的逆运动学算法,能够在连续型机械臂的工作空间内实现点对点的逆运动学快速求解,从而实现连续型机械臂在空间指定轨迹的运动。最后,利用连续型机械臂直线运动仿真和圆弧运动仿真验证了所提算法的有效性,算法能够实现连续型机械臂在工作空间中的逆运动学求解。

关键词：连续型机械臂逆运动学运动学线驱动

基于解耦双通道线性自抗扰控制的连续型机械臂轨迹跟踪策略

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空间控制技术与应用 2020年第5期46卷 27-35页

作者：张月龄向国菲税懿佃松宜四川大学电气工程学院成都610065

针对包含多源不确定性的连续型机械臂轨迹跟踪问题,提出基于解耦双通道的线性自抗扰控制策略以抑制不确定性对跟踪性能的不利影响.首先,引入虚拟控制量实现对MIMO系统的解耦,针对解耦率已知和未知两种情况,均设计双通道线性自抗扰控制器... 详细信息

针对包含多源不确定性的连续型机械臂轨迹跟踪问题,提出基于解耦双通道的线性自抗扰控制策略以抑制不确定性对跟踪性能的不利影响.首先,引入虚拟控制量实现对MIMO系统的解耦,针对解耦率已知和未知两种情况,均设计双通道线性自抗扰控制器.利用线性扩张观测器对系统不确定性进行实时补偿,并给出观测器参数整定方法,进一步基于Lyapunov稳定性理论证明了其收敛性.设计仿真,综合考虑未知解耦率、未建模动态以及未知外部干扰等情况,结果验证了本文所提控制方法的有效性.进一步将其与计算力矩法相比较,结果表明LADRC能够处理更大范围不确定性,鲁棒性更强.基于解耦双通道线性自抗扰控制策略为连续型机械臂高精度轨迹跟踪提供了新思路.

关键词：连续型机械臂强耦合MIMO系统多源不确定性虚拟控制量线性自抗扰控制器

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线驱动连续型机械臂设计与运动学仿真

机械传动 2019年第11期43卷 32-38,53页

作者：韦贵炜徐振邦赵智远于阳吴清文中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间机器人工程中心吉林长春130033 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

面向复杂空间环境的需求,设计了一种新型线驱动连续型机械臂。基于几何分析方法提出了一种简单的线驱动连续型机械臂建模方法,分析了单级柔性关节的关节空间、驱动空间和操作空间之间的运动学映射关系,给出了三级柔性关节的解耦运动学算... 详细信息

面向复杂空间环境的需求,设计了一种新型线驱动连续型机械臂。基于几何分析方法提出了一种简单的线驱动连续型机械臂建模方法,分析了单级柔性关节的关节空间、驱动空间和操作空间之间的运动学映射关系,给出了三级柔性关节的解耦运动学算法,利用改进的蒙特卡洛法描述其工作空间,并用Matlab对机械臂进行运动学仿真,通过对原理样机的实验研究验证了运动学算法的正确性,同时展示了机械臂良好的弯曲能力。

关键词：线驱动连续型机械臂柔性关节运动学工作空间

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基于绳索欠驱动的连续型机械臂设计及仿真

导弹与航天运载技术 2021年第2期 92-96页

作者：郭亚星郑继贵侍威贾龙飞陶云飞北京精密机电控制设备研究所北京100076

针对太空狭小复杂的环境,提出一种基于绳索欠驱动的连续型机械臂,可降低驱动数量,适当降低控制难度,减小空间操作机械臂的体积和质量,同时可实现较大臂长。开展连续型机械臂的运动学分析与仿真,利用蒙特卡洛法得到连续型机械臂的工作空... 详细信息

针对太空狭小复杂的环境,提出一种基于绳索欠驱动的连续型机械臂,可降低驱动数量,适当降低控制难度,减小空间操作机械臂的体积和质量,同时可实现较大臂长。开展连续型机械臂的运动学分析与仿真,利用蒙特卡洛法得到连续型机械臂的工作空间;通过运动学映射关系,得到驱动绳索的控制位移量;通过力学分析得到驱动绳索的拉力,为后续试验提供了控制基础。

关键词：关节连续型机械臂运动学欠驱动

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气动连续型机械臂控制系统设计与实现

气动连续型机械臂控制系统设计与实现

作者：孟飞哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

连续型机械臂拥有刚性机械臂无法比拟的柔顺性,在许多领域内发挥着越来越重要的作用,但与此同时,连续型机械臂的控制问题成为其相关技术研究的重点和难点。本文主要围绕采用气动柔性驱动器的气动连续型机械臂,进行合理的结构及系统设计... 详细信息

连续型机械臂拥有刚性机械臂无法比拟的柔顺性,在许多领域内发挥着越来越重要的作用,但与此同时,连续型机械臂的控制问题成为其相关技术研究的重点和难点。本文主要围绕采用气动柔性驱动器的气动连续型机械臂,进行合理的结构及系统设计,并搭建实验平台;进一步地,针对强非线性控制问题,考虑基于数据驱动的方法,开展气动连续型机械臂的无模型控制策略研究。首先,针对气动连续型机械臂的柔顺抓捕任务需求,分析连续体生物的仿生机理,并依据肌肉性静水骨骼原理确定机械臂的动作方式、执行机构的种类与装配位置;其次,在确定所用气动柔性驱动器的合理布局之后对其工作原理及内部结构进行分析并确定参数;在完成气管与电气布线之后可使气动连续型机械臂达成灵活弯曲运动的目的。最终,在完成气动连续型机械臂的总体布局之后,针对机械臂动作快速性与稳定性的要求,分析气动系统与控制系统的组成与工作原理,对气动元件和控制元器件进行合理选型,完成硬件实验平台系统的设计与搭建工作。在建立合理的框架结构的基础上,考虑较为精确的气动柔性驱动器模型,对单气路通道进行控制,通过数值仿真验证系统设计的合理性并为控制系统实现提供思路。进一步地,针对含有多气路通道的气动连续型机械臂超冗余自由度的问题,需要设计合理的运动学模型表达关节空间与任务空间映射关系;针对气动连续型机械臂在处于竖直状态下的齐次转移矩阵奇异问题,根据模式形状函数建立模态运动学。针对连续型机械臂动力学模型中含有复杂项的积分表达式所导致的计算量过大问题,采用了基于递归计算的方法简化动力学模型表达式以提高计算效率。针对系统模型存在不确定性、同时伴有强非线性问题,为了能够对气动连续型机械臂进行更好地形状控制,主要设计了无模型自适应滑模控制器(Model-free adaptive sliding mode controller,MFASMC);首先针对拉格朗日型动力学模型,根据广义Lipschitz条件对该模型进行全格式(同时考虑I/O变化量)动态线性化,其次,考虑相应的准则函数,得到无模型自适应控制器(Model-free adaptive controller,MFAC),并依据修正的投影算法估计其中未知的伪偏导数矩阵,再次,为加快误差的收敛速度,设计滑模控制器(Sliding mode controller,SMC)共同作用于被控对象,通过数值仿真观察控制算法的效果,并与PD控制进行对比,最终通过硬件实验平台完成柔顺抓捕任务,验证控制策略的有效性。

关键词：连续型机械臂气动柔性驱动器无模型自适应控制

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线驱动连续型机械臂运动轨迹规划仿真分析

线驱动连续型机械臂运动轨迹规划仿真分析

作者：张广利辽宁工程技术大学

学位级别：硕士

线驱动连续型机械臂由于其多自由度、大长径比、高灵活度等特性,在灾后救援探测、井下设备检修等领域的深腔和危险环境作业中有重大应用价值。本文设计了一款具有7关节共14个自由度的线驱动超冗余度机械臂,建立运动学模型并仿真分析了... 详细信息

线驱动连续型机械臂由于其多自由度、大长径比、高灵活度等特性,在灾后救援探测、井下设备检修等领域的深腔和危险环境作业中有重大应用价值。本文设计了一款具有7关节共14个自由度的线驱动超冗余度机械臂,建立运动学模型并仿真分析了机械臂工作空间、开展了其轨迹规划研究,在搭建的实验平台上开展相关实验,实现了空间受限情况下的探测运动。首先,分析并提出了线驱动连续型机械臂的功能需求,根据生物仿生学原理,按照动物脊柱结构特征和运动机理,研制了一款适应井下狭小空间的线驱动冗余连续型机械臂。其次,根据线驱动连续型机械手臂的运动特点,提出了运动学假设。在此基础上,分别对机械臂单关节段、多关节段进行建模,然后分析三种空间的映射关系,也即对机械臂开展正向运动学与逆向运动学分析。然后,利用改进的蒙特卡洛法对机械臂的工作空间进行处理,解决了传统蒙特卡洛法求解策略精度低的问题。改进的蒙特卡洛法将对机械臂工作空间分层,在每一层的空间边界随机点附近进行填充,使得工作空间边界处的随机点分布越来越均匀。为了验证算法的准确性和实用性,以7关节14自由度的线驱动连续型冗余机械臂实验样机为例,进行仿真分析。实验结果表明发现在空间随机点数量相同的前提下,改进后的算法求取的工作空间边界面积与理论面积相比小于1%。最后,对时间最优线驱动连续型机械臂进行研究,提出了一种基于Sa DE-ARM算法的时间最优3-5-3多项式插值轨迹规划算法,解决了线驱动连续型机械臂轨迹规划过程中由于多项式插值造成的结构旋转部件振动或噪声的响应过高,无法根据期望速度提供匀速控制等问题。实验结果表明基于SADE-ARM算法的机械臂3-5-3多项式插值时间最优轨迹规划方法相较于原始设定时间提升了45%。该论文有图46幅,表7个,参考文献68篇。

关键词：连续型机械臂线驱动狭小空间工作空间轨迹规划

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空间连续型机械臂设计与运动学仿真

空间连续型机械臂设计与运动学仿真

作者：韦贵炜中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

随着航天技术的不断发展,空间飞行器体积和重量不断增加,机械结构、零部件组成日趋复杂,空间在轨服务已经成为目前空间发展技术领域的一个重要研究方向。空间在轨服务包含空间飞行器在轨对接服务、空间在轨维修服务和对空间飞行器的在... 详细信息

随着航天技术的不断发展,空间飞行器体积和重量不断增加,机械结构、零部件组成日趋复杂,空间在轨服务已经成为目前空间发展技术领域的一个重要研究方向。空间在轨服务包含空间飞行器在轨对接服务、空间在轨维修服务和对空间飞行器的在轨组装服务以及空间碎片回收等。由于空间飞行器自身结构的特殊性以及所处环境的复杂性,传统机械臂的运动空间受到极度压缩,传统机械臂的功能难以得到完全的发挥,因此很难很好地完成空间作业任务。针对空间非合作目标探测及复杂的空间环境,本文研究一种空间连续型机械臂,弥补传统刚性机械臂在空间任务中的不足。空间连续型机械臂作为一种新型的仿生机器人,其具有弯曲灵活,弯曲半径小,可在管道等狭小空间内工作,对非结构化环境适应能力强等特点,它的研究是一个全新的发展方向,为机器人技术开拓了一个新的发展领域。本课题空间连续型机械臂的设计结合了经典的连续型机器人和蛇形机器人的结构设计,关节连接采用球铰链,其机械结构比传统的蛇形机器人简单、紧凑,并且比经典的连续型机械臂具有更高的定位精度,对连续型机器人应用于空间飞行器有指导作用。首先,本文对空间连续型机械臂的机械结构进行剖析,描述了国内外的发展现状,介绍了连续型机器人的原理及结构。其次,介绍了一种空间连续型机械臂的详细设计过程,设计指标为机械臂承载能力达1.5kg,单级关节所能达到最大弯曲空间角度为±180°。再次,在几何分析方法的基础上,提出一种简单的线驱动连续型机械臂建模方法,分析了单级和多级连续型关节的关节空间、驱动空间和操作空间之间的映射关系,给出了两级和三级连续型关节的解耦运动学算法。利用改进的蒙特卡洛法描述其工作空间,并用MATLAB对机械臂进行运动学仿真,验证了运动学算法的正确型。最后,制造空间连续型机械臂原理样机,并展开位置精度测试和弯曲试验,展示了机械臂良好的弯曲能力。本课题的研究为空间连续型机器人应用于空间飞行器研究提供了一定的理论和工程应用基础。

关键词：线驱动空间在轨服务连续型机械臂运动学