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计算机工程 2016年第7期42卷 293-298页

作者：毛伟伟周烽梁青冯瑜阎勇中国科学技术大学信息科学技术学院合肥230027 海军蚌埠士官学校五系安徽蚌埠233012

针对双足机器人行走稳定性的优化控制问题,为保证双足机器人行走时上身平台的稳定性以利于传感器的正常工作,提出一种具有主被动联合减振抗冲功能的小腿结构设计方案。采用基于自抗扰控制算法的主动控制减振方法,并使用Matlab中的Sim Me... 详细信息

针对双足机器人行走稳定性的优化控制问题,为保证双足机器人行走时上身平台的稳定性以利于传感器的正常工作,提出一种具有主被动联合减振抗冲功能的小腿结构设计方案。采用基于自抗扰控制算法的主动控制减振方法,并使用Matlab中的Sim Mechanics工具箱,建立双足机器人减振小腿机械仿真模型,通过主动和被动减振分别抑制低频和高频振动。仿真实验结果表明,主被动联合减振方法成功衰减了来自足部所受的冲击,弥补了传统被动减振无法有效抑制低频振动的情况,能够保障双足机器人上身平台的稳定性,为双足机器人稳定行走提供保障。

关键词：双足机器人小腿设计主被动联合减振优化控制自抗扰控制算法 simmechanics模型

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六自由度位姿平台机构分析与运动控制策略研究

六自由度位姿平台机构分析与运动控制策略研究

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作者：陈泽栋中国运载火箭技术研究院

学位级别：硕士

随着经济社会的发展,国防工业对具有运动范围大、调整速度快、控制精度高、承载能力强的运动模拟设备或者调整设备提出了更高的要求。本文以北京航天控制仪器研究所承担的国家重点研发计划中的用于航空重力仪的车载位姿平台研制课题为依... 详细信息

随着经济社会的发展,国防工业对具有运动范围大、调整速度快、控制精度高、承载能力强的运动模拟设备或者调整设备提出了更高的要求。本文以北京航天控制仪器研究所承担的国家重点研发计划中的用于航空重力仪的车载位姿平台研制课题为依托,对六自由度位姿平台的运动学、动力学、控制策略、精度测量及误差机理进行了理论分析、计算机仿真和相关的实验研究。在运动学分析中,首先根据上平台与各个作动器之间的约束关系,建立了六自由度位姿平台运动学反解数学模型,通过仿真实验验证了运动学反解模型的正确性,并根据模型建立了运动学反解GUI程序。接着针对传统六自由度位姿平台正解中存在的求解难度大、精度低、初值选取难的缺陷,提出了一种利用SOA搜索算法进行牛顿迭代初值补偿的运动学正解方法,构建了相应的仿真模型并给出了计算实例。最后在研制的六自由度位姿平台样机上进行实验,结果表明该算法具有较高的收敛精度和稳定性,为后续设计控制策略奠定了基础。在动力学分析中,首先利用Sim Mechanics模块构建了六自由度位姿平台虚拟样机,定义了上下平台和六个作动器的结构参数和相应的刚体约束关系,然后针对三维模型进行了极限位姿干涉分析和静力学分析。接着对驱动系统进行研究,分别建立了电动缸缸体和PMSM电机的数学模型,针对电机模型设计了双PI控制器和滑模速度环控制器,通过对比仿真发现,滑模速度环控制器能够有效减小电机调整力矩。最后建立了完整的位姿平台仿真模型,并对模型开展了耦合性分析,发现在低频情况下可以忽略电动缸之间的耦合作用从而进行分散控制,为后续实现双层闭环控制打下基础。在运动控制策略研究中,首先在铰点空间和工作空间上分别设计了前馈解耦PD控制和自适应滑模控制两种策略,通过仿真实验表明,工作空间控制具有良好的鲁棒性但是控制精度相对较差,铰点空间前馈控制具有较高的精度但是对外界干扰较为敏感。为了解决这个问题,本文设计了一种双层控制策略,即内层采用前馈解耦PD控制来保证控制精度,外层采用工作空间自适应滑模控制,来抵消外界干扰造成的精度下降,通过实验发现,双层控制能够显著提高位姿平台的跟踪精度并保持较好的鲁棒性。在位姿平台精度检测和分析中,首先介绍了六自由度位姿平台控制系统常用的功能模块和软硬件组成,接着使用倾角仪和双频激光干涉仪结合特殊工装分别对位姿平台静态精度进行检测,得到双层控制策略下角位置静态精度为0.018°,线位移静态精度为1.2mm。接着针对平台动态精度进行测量,发现上平台在作5°、1Hz的横滚运动时,幅值仅衰减3.6%,符合系统动态要求。

关键词：六自由度平台运动学正解 simmechanics模型自适应滑模控制精度检测

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平面并联定位平台运动学分析及控制系统设计

平面并联定位平台运动学分析及控制系统设计

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作者：须晓锋中国矿业大学

学位级别：硕士

随着科学技术的飞速发展,生物工程、微电子技术、航空航天等学科已经进入了“亚微米—纳米”时代,各应用领域对系统操作精度的要求也越来越高。宏微双重定位平台系统不仅具有宏动定位平台运动范围大、运动速度快的优点,同时也具备了微... 详细信息

随着科学技术的飞速发展,生物工程、微电子技术、航空航天等学科已经进入了“亚微米—纳米”时代,各应用领域对系统操作精度的要求也越来越高。宏微双重定位平台系统不仅具有宏动定位平台运动范围大、运动速度快的优点,同时也具备了微动定位平台定位精度高、响应速度快的优点,具有广泛的应用前景。本文基于国家自然科学基金“基于能量特性的柔性并联精密定位平台抑振控制研究”和江苏省科技支撑计划项目“显微操作并联精密定位平台系统研制”,对宏微双重精密定位平台系统中的宏动定位平台—平面并联定位平台,进行运动学分析和控制系统设计,为后续宏微双重定位平台系统的研制提供技术支撑。主要开展了以下研究:首先,分析了平面并联定位平台的的结构特点及自由度,建立了并联定位平台的运动学反解模型,讨论了并联定位平台的奇异性问题,给出了判断奇异性的一般方法并列举了某些奇异位形,分析了并联定位平台的最大工作空间和定方位工作空间并确定了一个并联定位平台的可执行工作空间。其次,建立了平面并联定位平台的Pro/E模型,通过Pro/E软件和MATLAB软件的关联导出了并联定位平台的Sim Mechanics模型,在Sim Mechanics模型中添加了驱动、检测等模块,用典型的直线和圆弧轨迹进行仿真,验证了平面并联定位平台模型的准确性,并实现了并联定位平台可视化动画仿真。再次,设计了平面并联定位平台的控制系统。硬件系统采用“上位机+运动控制卡+驱动器+伺服电机+平面并联定位平台+检测系统”的结构形式,软件系统采用LABVIEW和MATLAB的联合控制,主要采用“轨迹离散+插补运动+实时反馈”的控制思想。分析了MPC08运动控制卡的控制功能和优点,进行了伺服电机的驱动性能分析和参数设置,并对伺服电机的PID参数进行了整定,设计了拉线尺传感器检测系统的安装与测量方法,并对该检测系统进行了标定,进行了LABVIEW控制程序各个功能模块的程序设计。最后,利用所设计的平面并联定位平台控制系统进行了标定实验和轨迹跟踪控制实验。通过三个拉线尺传感器和三个绝对编码器的标定实验,验证了平面并联定位平台理论模型的可靠性,进行了并联定位平台直线轨迹跟踪运动和圆弧轨迹跟踪运动实验,通过实验数据验证了设计的平面并联定位平台控制系统的可实现性和高精度性。

关键词：平面并联定位平台运动学分析 simmechanics模型控制系统设计

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两足步行机器人的步态规划及simmechanics建模

两足步行机器人的步态规划及SimMechanics建模

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作者：刘艳娜杭州电子科技大学

学位级别：硕士

近年来,两足机器人的研究发展迅速,两足机器人也越来越具有人的特征。两足机器人,相对于其他足式机器人,具有支撑面积小、支撑面形状随时间变化大、质心相对位置较高的特点,因而两足步行系统是步行方式中自动化程度较高、较为复杂的动... 详细信息

近年来,两足机器人的研究发展迅速,两足机器人也越来越具有人的特征。两足机器人,相对于其他足式机器人,具有支撑面积小、支撑面形状随时间变化大、质心相对位置较高的特点,因而两足步行系统是步行方式中自动化程度较高、较为复杂的动态系统。同时,两足步行是支撑脚离散、交替地接触地面的,因而可主动选择最佳支撑点,受环境限制小,具有很高的灵活性和适应性。加之,机器人具有人的外形和基本功能,易于与人共处和适应多变的活动环境。两足机器人的步行研究,是机器人研究的前沿,正成为机器人研究领域的一个热点,它不仅具有重要的学术意义,而且具有现实的应用价值。要实现两足机器人稳定的两足步行,所涉及的研究领域很广,本文研究其中一些基础但很关键的问题:数学模型、步行稳定性、步态规划。本文针对目前两足步行机器人行走步态规划的发展方向,着重建立了基于simmechanics的两足步行机器人模型,通过仿真分析了步行特性,为研制两足步行机器人提供了一定的理论依据。(1)对两足步行机器人的运动学和动力学特征进行了分析,这是进行机器人建模的基础。在分析了两足步行机器人步行稳定性要求的基础上给出了步行控制任务,为步行机器人的步态规划提供了理论依据。(2)对两足步行机器人的自由度和机构设计进行了分析,然后引入了步态规划的概念,并对步行机器人的步态规划的方法进行了讨论,并结合两足机器人的研究课题,探讨和分析了两足机器人运动和结构设计方面的一些问题,提出了相应的设计方法。(3)通过仿真工具simmechanics建立了两足步行机器人的主躯体、头部、上肢以及下肢模型,并最终形成了完整的两足步行机器人的simmechanics电脑模型,实现了基于simmechanics的两足机器人步态模拟。通过局部和整体的实验仿真,分析了两足机器人机体的运动性能,验证了模型的合理性。

关键词：两足机器人稳定性步态规划 simmechanics模型仿真

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