漂浮基空间机器人及其柔性影响下逆模神经网络控制
基于T-S模糊系统的漂浮基空间机器人关节协调运动的分散自适应滑模控制
员摇 漂浮基空间机器人理论模型
员援 员摇 系统动力学方程
如图 员 所示袁以作平面运动的两杆漂浮基空间
机器人系统为例袁该模型为一无根多体系统遥 其中
月园 为系统载体袁月员 袁月圆 为机械臂分体遥悦 点为系统 的总质心袁韵悦园 袁韵悦员 和 韵悦圆 为各分体质心且 韵园 与 韵悦园 重合袁韵员 和 韵圆 为两个关节转动铰中心遥建立图 员 所 示的平动惯性坐标系渊 韵 原 载再冤 及各分体 月蚤 的主坐 标系渊 韵蚤 原 载蚤 再蚤 冤 遥选取载体的位置坐标 曾园 和 赠园 尧姿 态角 兹园 与两个关节铰的相对转角 兹员 和 兹圆 为广义坐 标袁利用第二类 蕴葬早则葬灶早藻 方程袁建立该载体位置和
子 越 渊子员 袁子圆 冤栽袁为两个关节铰的控制力矩组成的列向
量遥
员援 圆摇 系统模型的分散化处理
为设计分散控制律袁将空间机器人系统划分为
收稿日期院圆园员源 原 员圆 原 园员 基金项目院国家自然科学基金资助项目渊员员猿苑圆园苑猿冤 作者简介院高兴山渊员怨愿怨要冤 袁男袁河北唐山人袁福州大学硕士研究生袁主要研究方向为空间机器人系统动力学及控制遥
摇 摇 空间机械臂在人类探索太空过程中将发挥越 来越重要的作用袁因此对其动力学及控制问题的研
. 究A工ll作受Ri到g了ht科s研R人e员se的rv广e泛d.关注咱员暂 遥 在太空环
飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制
飘浮基两杆柔性空间机械臂基于速度观测器的增广自适应控制于潇雁;陈力【摘要】The augmented adaptive kinematic control and vibration optimal control based on velocity observers for a free-floating two-link flexible space manipulator under external disturbances were studied when positions and attitudes of its base were uncontrollable.Firstly,after selecting an appropriate coordinate system,the dynamic equations of the freefloating two-link flexible space manipulator were established with the momentum conservation principle and Lagrange equations.Secondly,using the singular perturbation approach,the manipulator system was divided into two sub-systems including a slowly varying subsystem of base attitudes and joints' trajectory tracking and a fast varying subsystem to describe flexible-links' vibration.Then a composite controller consisting of a slowly varying control component and a fast varying control component was proposed.The slowly varying subsystem's observed velocity vector was obtained with an adaptive sliding model velocity observer.Based on this observed velocity vector,an augmented adaptive slowly varying control law was designed to realize joints' trajectory tracking.The observed velocity vector of the fast varying subsystem was obtained with a linear velocity observer.Based on this observed velocity vector,the fast varying control law was designed to realize the vibration optimal control of flexible links using the optimal linear quadratic regulator (LQR) method.Finally,the numerical simulation of the system verified the effectiveness of theproposed method.The results showed that this control scheme does not need direct measurement of position,moving velocity,and moving acceleration of base,angular velocities,and angular accelerations of joints as well as derivatives of flexible vibration modal coordinates.%讨论了载体位置、姿态均不受控情况下,存在外部扰动漂浮基两杆柔性空间机械臂的基于速度观测器的增广自适应运动控制与振动最优控制问题.选择合适的联体坐标系,利用Lagrange方法并结合动量守恒原理建立了飘浮基两杆柔性空间机械臂系统的动力学方程.利用奇异摄动法,将两杆柔性空间机械臂系统分解为一个关于载体姿态、关节轨迹跟踪的慢变子系统与一个描述柔性杆振动的快变子系统.以此为基础,提出了一个包含慢变控制项与快变控制项的复合控制器.利用自适应滑模观测器得到慢变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量设计得到系统的增广自适应慢变控制律来实现关节轨迹的跟踪.利用线性观测器得到快变子系统的观测速度向量,基于这个观测速度向量并运用线性系统的最优控制理论得到了系统的快变控制律来实现柔性杆振动最优控制.系统的数值仿真证实了方法的有效性.该控制方案不需直接测量关节角速度、关节角加速度与柔性振动模态坐标导数以及漂浮基的位置、移动速度、移动加速度.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】7页(P176-182)【关键词】飘浮基两杆柔性空间机械臂;奇异摄动法;自适应控制;增广法;速度观测器;振动最优控制【作者】于潇雁;陈力【作者单位】福州大学机械工程及自动化学院,福州350116;福州大学机械工程及自动化学院,福州350116【正文语种】中文【中图分类】V42;TP241在未来的空间操作作业中，空间机器人将扮演越来越重要的角色，其应用将减少宇航员舱外活动的危险与载人航天的费用，因此空间机器人引起了各国研究人员的广泛关注[1-4]。
柔性机械臂自适应神经网络反演控制
柔性机械臂自适应神经网络反演控制
庞爱民;王振;马双宝
【期刊名称】《机械设计与制造》
【年(卷),期】2024()6
【摘要】柔性机械臂系统是一类具有强耦合性的高阶非线性系统,动力学模型中通常包含一定的结构不确定性。
针对结构不确定性所导致的轨迹跟踪控制复杂问题,提出一种基于RBF神经网络的自适应反演控制方法。
首先分离出系统的已知信息部分和未知信息部分;而后通过反演法设计系统的轨迹跟踪控制器;再采用RBF神经网络对系统模型中的未知信息和虚拟控制量导数进行近似,设计基于RBF神经网络的自适应控制律,并通过Lyapunov理论证明了系统的稳定性。
最后通过数值仿并与传统PD控制进行对比,结果表明该方法轨迹跟踪性能更优,跟踪精度提高了80%以上,证明了控制方法的有效性。
【总页数】6页(P309-314)
【作者】庞爱民;王振;马双宝
【作者单位】武汉纺织大学机械工程与自动化学院;湖北省数字化纺织装备重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】TH16
【相关文献】
1.基于自适应神经网络的柔性关节机械臂控制
2.柔性关节-柔性臂空间机器人的神经网络自适应反演控制及双重柔性振动抑制
3.基于RBF神经网络的不确定机械臂自适应反演控制研究
4.水果采摘机械臂神经网络自适应反演控制研究
5.基于神经网络柔性关节机械臂反演滑模控制
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姿态受控漂浮基空间机器人系统协调运动的反演滑模控制
ｄ ｓ ｕｓ ｅ ｅ ｈｅ ｃ ｒ ｉｒ ｉ ｔｉｕ － ｃ ｔ ｏｌｅ ｔｉｓ ｐ ｓ ｔｏ ｓｎｏ ｉ ｃ ｓ ｄ ｗｈ ｎ ｔ ａ ｒｅ ｓ ａ ｔｔ ｄｅ ｏｎ ｒ ｌｄ ｂｕ ｔ ｏ ｉｉ ｎ ｉ ｔ
ａ ｔ— ｔｉ
—
ｔ ｄ ｎ ｈ ｎｐ ｌｔ ｒ ｏｎ ｓｏ ｒ ｅ ｆ ａｉ ｇ ｓ ａ ｅ ｂ ｓ ｄ ｒ ｂ ｔｗｉｈ ｅ ｔｒ ａ ｉｔ ｒ ｕ ｅａ ｄ ｔ ｅｍａ ｉｕ ａｏ ＇ ｊ ｉ ｔ ｆｆｅ － ｌ ｔ ｐ ｃ － ａ ｅ ｏ ｏ ｔ ｘ ｅ ｎ １ ｓ ｕ ｂ ｓ ｏ ｎ ｄ
ａ ｃ ｓ ｄ Ｖ ｌ Ｐ ｄ ｂ ｓ ｄ ｏ ｈ ｂ ｖ ｅ ｕ ｔ ｎ ｈ ａ ｋ ｔ ｐ ｉ ｇ ｄ ｓｇ ｎ ｅ ｅ ｅｏ ｅ ａ ｅ ｎ ｔ ｅａ ｏ ｅｒ ｓ ｌｓ ａ ｄ ｔ ｅ ｂ ｃ ｓ ｅ ｐ ｎ ｅ ｉ ｎ
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出空 间机器 人载 体姿 态 与机 械臂 各 关节 协调 运 动 的滑模 控 制 方案 数值 仿 真结 果 验 证 了该 控 制 方案 的有效 性．
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关 键词 ：自由漂浮 空 间机器 人 ； 动力 学方程 ； 演设 计 ； 反 滑模 控 制 中图分 类号 ： ２ ２ ＴＰ ４ 文献 标识 码 ：Ａ
Ａ ｕ １ ｃ ｎｔ ｏ ｌ ｄ ｆ １－ ｏ ｒ ｌｅ ｄ ｎ ｍ ｑ ａ ｌ ｎ ｏ ｒ ｅ— ｆｏ ｔ ｇ ｓ ａ ｅ— ｂ ｓ ｄ ｒ ｂ ｔ ｗｉｈ ｅ ｔ ｒ ａ ｉｔ ｒ ａ ｃ ｓ ｙ ａ ｃｅ ｕ ｔ ｆ ｆｅ ｏ ｌａｉ ｐ ｃ ｎ ａ ｅ ｏ ｏ ｔ ｘ ｅ ｎ ｌｄ ｓ ｕ ｂ ｎ ｅ ｉ ｅ ｔ ｂ— ｓａ ｌｓ ｄ ｂ ｈ ｏ ｉｈｅ ｙ ｔ ｅ ｃ ｍｂｉ ｄ ｕｓ ｈｅ ｃ ｓ ｒ ａ ｉ ｎ ｏ ｏ ｎｔ ｍ ｎ ｈ ｎｅ ｅ ｏｆｔ ｏｎ ｅ ｖ ｔｏ ｆｍ ｍｅ ｕ ａ ｄ ｔ ｅ Ｌ ｇ ａ ｇ ａ ｐ ｒ ａ ｈ ａ ｒ ｎ ｉｎ ａ ｐ ｏ ｃ ． 上 ｅ ｂ ｃ ｓ ｅ Ｐ ｎ ｌ ｉ ｇ ｍ ｏ ｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｃ ｅ ｆｃ ｏ ｄ ｎ ｔ ｄ ｍｏ ｉ ｎ ｂ ｔ ｅ ｈ ａ ｅ ｈ ａ ｋ ｔ Ｐ ｉ ｇ ｓｉ ｎ ｄ ｏ ｔ ｏ ｈ ｍｅ ｏ ｏ ｒ ｉ ａ ｅ ｔ ｅ ｗｅ ｎ ｔ ｅ ｂ ｓ ＂ ｄ ｓ ｏ ｓ
模糊CMAC的柔性空间机器人轨迹跟踪自学习控制
模糊CMAC的柔性空间机器人轨迹跟踪自学习控制张文辉;周启航;齐乃明【期刊名称】《智能系统学报》【年(卷),期】2012(7)5【摘要】Considering the uncertainty of free floating adaptable space robot systems (FSRS) , cerebellar model articulation controller (CMAC) neutral network self-learning control strategies are used to solve the trajectory tracking control problems of the inverse model control algorithm. Firstly, a non-linearity dynamics equation of flexible space manipulator is established. The controller based on fuzzy CMAC neutral network is used for effectively learning how to compensate inverse-model, and fuzzy CMAC network parameters that could be adaptively adjusted online by improved supervisory Hebb learning rules. Error function is provided via proportional integration differential (PID) controller. The controller improved control accuracy and asymptotic convergence of tracking error. The simulation results illustrate the presented controller system has engineering value.%针对不确定自由漂浮柔性空间机器人系统,采用模糊CMAC神经网络自学习控制策略来解决轨迹跟踪控制问题.首先建立漂浮基空间机器人的动力学方程,然后利用具有快速学习能力的模糊CMAC神经网络来逼近非线性柔性臂的逆动力学模型.网络参数采用改进的有监督的Hebb学习规则进行自适应在线调整,并通过关联搜索进行自学习和自组织,其误差代价函数由PID控制器提供.仿真结果表明,这种模糊CMAC逆模PID控制器能够达到较高的控制精度,具有一定的工程应用价值.【总页数】5页(P457-461)【作者】张文辉;周启航;齐乃明【作者单位】丽水学院工学院,浙江丽水323000;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001;哈尔滨工业大学航天学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TP242【相关文献】1.关节柔性的漂浮基空间机器人基于奇异摄动法的轨迹跟踪非奇异模糊Terminal 滑模控制及柔性振动抑制 [J], 梁捷;陈力2.自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪控制 [J], 胡庆雷;翟艳霞;霍星3.基于模糊CMAC的移动机器人轨迹跟踪控制 [J], 金娟;王耀南4.输入有界的自由漂浮柔性空间机器人轨迹跟踪控制 [J], 翟艳霞;胡庆雷;徐梁;霍星5.柔性宏刚性微空间机器人末端连续轨迹跟踪控制研究 [J], 张宇;郝悍勇;孙增圻因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
漂浮基双臂空间机器人关节运动的模糊变结构滑模控制
第36卷第1期2008年2月福州大学学报(自然科学版)Journa l of F uzhou U n i versity(N a t ura l Sc i ence)V o.l36No.1F eb.2008文章编号:1000-2243(2008)01-0100-05漂浮基双臂空间机器人关节运动的模糊变结构滑模控制陈志煌,陈力(福州大学机械工程与自动化学院,福建福州350002)摘要:讨论了载体姿态、位置均不受控制的双臂空间机器人系统的控制问题.利用拉格朗日方法并结合系统动量守恒关系,建立了双臂空间机器人系统的非线性动力学模型.以此为基础,对双臂空间机器人关节运动的控制问题作了研究.考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的滑模变结构控制理论,设计了双臂空间机器人关节运动的滑模变结构控制方案;为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计了一个模糊控制器,以便根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振.系统数值仿真证明了该控制方案良好的控制效果.关键词:空间机器人;漂浮基双臂;协调运动;模糊变结构;滑模控制中图分类号:TP242文献标识码:AFuzzy variable structure sliding-mode control for dual-ar m space robot to trackdesired trajectory in joint s paceCHEN Zh i-huang,CHEN L i(Co lleg e o fM echanical Eng i nee ri ng and Au t om ati on,Fuzhou U n i versity,Fuzhou,Fu jian350002,Ch i na) Abstract:A kind o f non li n ear dyna m ic m ode l of dual-ar m free-floating space robot syste m s is pres-ented based on Lag range m ethod.Based on the resu l,t t h e contro l pr oble m for space m an i p u lator totrack the desired tra jectory i n joint wo r kspace is d iscussed.Because o f the high structure co m p lex ityand the para m eter uncertainty of space m an i p u lator syste m s,t h e sche m e o f variable structure sli d i n g-m ode controlw ith better robustness to uncertai n ty and d isturbance is proposed.Fuzzy controllers aredesi g ned at the a i m of chatteri n g reduction and rapid response.The fuzzy controllers can tune the slid-i n g contr o l la w para m eters au to m atically accor d i n g to the re lationsh i p bet w een syste m state and s w itc-hi n g m anifo l d.The effect o f the contr o ller i s testified by co m puter si m u lation.Keywords:space robo;t free-floati n g dual-ar m;joint-tra jectory tracking;fuzzy var i a b le;sliding -m ode contr o l从90年代开始,机械臂在航天器中的应用已进入实际使用试验阶段,因此关于它的运动学、动力学与控制问题的研究受到人们的广泛重视[1-6].然而值得注意的是,目前研究工作大部分是针对单臂空间机器人系统的.出于增大负载能力、提高载荷定位精度及多任务操作的需求,双臂甚至多臂空间机器人的使用是必不可免.目前相关的研究工作[7-10]多见于运动学规划级,有关控制问题的研究并不多见.由于在双臂空间机器人控制系统的实际设计中,主要问题是确定机械臂关节力矩的控制输入规律,以使机械臂完成关节或惯性工作空间的期望轨迹,因此空间机器人轨迹跟踪控制系统的设计问题非常重要.本文结合系统动量守恒关系并利用拉格朗日第二类方程,对载体姿态位置均不受控制的漂浮基双臂空间机器人系统的动力学方程作了推导.以此为基础,对双臂空间机器人关节运动的控制问题作了研究.考虑到空间机器人系统结构的复杂性及其某些参数的变动性,根据具有较强鲁棒性的滑模变结构控制理论,设计了双臂空间机器人关节运动的滑模变结构控制方案;为了克服滑模变结构控制器抖振的缺点,附加设计收稿日期:2006-12-25作者简介:陈志煌(1981-),男,博士研究生;通讯联系人:陈力,教授,博士生导师.基金项目:国家自然科学基金资助项目(10372022);福建省自然科学基金资助项目(E0410008)第1期陈志煌,等:漂浮基双臂空间机器人关节运动的模糊变结构滑模控制了一个模糊控制器,以根据系统的输出来动态调节滑模变结构控制器等速趋近率的系数,从而既确保了系统的快速响应而又消除了原有的抖振.1 系统动力学方程图1 漂浮基双臂空间机器人系统F i g.1 F ree -fl oati ng dua-l a r m space robo t syste m s如图1所示,考虑做平面运动的漂浮双臂空间机器人系统.设系统由自由漂浮的载体B 0及机械臂B i (i =1,2,3,4)组成.建立各分体B i (i =1,2,3,4)的主轴坐标系(O i -e (i)x e (i)y ),其中O 0与B 0的质心O c 0重合,O i (i =1,2,4)为联结B (i -1)和B i 的转动铰中心,O 3为联结B 0和B 3的转动铰中心,e (i)x (i =0,1,2,3,4)为机械臂的对称轴.设O 1、O 3在e (0)x 轴上的投影O (0)1、O (0)3与O 0的距离均为d 0,O (0)1O 1、O (0)3O 3的长度均为h,方向均与e (0)y 一致.B i (i =1,2,3,4)沿e (0)x (i =1,2,3,4)的长度为l i (i =1,2,3,4),B i (i =1,2,3,4)的质心O ci 在e (i)x (i =1,2,3,4)上与O i (i =1,2,3,4)的距离为d i (i =1,2,3,4),各分体的质量和中心惯量矩分别为m i 和J i (i =0,1,2,3,4).建立平动的惯性坐标系(O -xy ),设各分体沿(x,y )平面作平面运动.e (0)x 相对惯性坐标系x 轴的夹角为H 0,H i (i =1,2)为e (i)x 相对于e (i -1)x 的转角,H 3为e(0)x的反方向相对于e(3)x的转角,H 4为e(3)x相对于e(4)x的转角.M =E 4i=0mi为系统总质量,C 为系统总质心.由系统各分体的位置几何关系,可得:r y1=r y0+d 0e (0)x +h e (0)y +d 1e (1)xr y2=r y0+d 0e (0)x +h e (0)y +l 1e (1)x +d 2e (2)x r y3=r y0-d 0e (0)x +h e (0)y +d 3e (3)xr y4=r y 0-d 0e (0)x +h e (0)y +l 3e (3)x +d 4e (4)x(1)式中,r y(i =0,1,2,3,4)为各分体质心O ci (i =0,1,2,3,4)相对于惯性坐标系的位置矢量.忽略微弱的重力梯度,系统为无外力作用的自由浮动无根多体系统,遵守对(O -xy )的线动量守恒及对O 点的角动量守恒关系.不失一般性,设系统的初始线动量及角动量均为零.则由系统总质心定义及线动量守恒关系,存在E 4i=0m i r yi =M r yc ,E4i=0m i r y#i =0(2)其中,r yc 为系统总质心C 相对于惯性坐标系的位置矢量.由系统角动量守恒关系,则有E4i=0(J i X y i +m i r yi @r y#i )=0(3)其中,X y(i =0,1,2,3,4)为第个物体的绝对角速度.利用式(2),可将r y0表示为r yi (i =1,2,3,4)的函数,从而消去系统广义坐标中与载体位置有关的变量;利用(3)式可消去H #0.则由拉格朗日第二方程,可导出载体姿态、位置均不受控制的漂浮基双臂空间机器人系统如式(4)形式的系统动力学方程:D (q)q &r +N (q,q #r )=S(4)其中,q b =H 0,q r =(H 1,H 2,H 3,H 4)T ,q =[q T b q T r ]T为5@1的系统广义坐标列向量;D (q )I R4@4为对#101#福州大学学报(自然科学版)第36卷称、正定的系统质量矩阵;N (q,q #r )I R4@1,为包含哥氏力和离心力的广义力列向量;S =(S 1,S 2,S 3,S 4)T为机械臂4个关节铰的控制力矩组成的4阶列阵.2 滑模变结构控制方案设计设q rd 为机械臂关节的期望输出运动,q r 为实际运动.并设e (t)=q r -q r d 为系统的位置跟踪误差,e #(t)=q #r -q #rd 为速度跟踪误差.定义如式(5)形式的系统切换函数s :s =e #(t)+K e (t)(5)其中,K =d iag (K 1,K 2,K 3,K 4),且K i (i =1,,,4)为正常数.如以S 为系统控制输入,则到达条件导出如下[11]:s #=e &(t)+K e #(t)=q &r -q &rd +K e #(t)=D -1(q)[S -N (q ,q #r )]-q &r d +Ke #(t)(6)若选取趋近律为s #=-E sgn (s)(7)其中:E =d iag (E 1,E 2,E 3,E 4),E i (i =1,,,4)为正常数;而sgn (s)={sgn (s 1),,,sgn (s 4)}T, sgn (s i )=-1 s i <01 s i >0(i =1,,,4)则由式(6)及(7),得到如式(8)滑模变结构控制方案:S =D (q)[q &r d -Ke #(t)-E sgn s]+N (q ,q #r )(8)根据滑模变结构控制理论,控制方案式(8)将使漂浮基双臂空间机器人的机械臂关节稳定地趋近于期望的运动规律.为了使上述控制系统具有更好的品质,即响应快而抖振小,在系统中附加设计一个模糊控制器,以根据系统的输出来动态调节等速趋近率的系数,从而达到既确保系统的快速响应而又没有抖振的控制效果.3 模糊滑模控制器设计滑模变结构控制器以适用范围广、控制器结构简单,以及对系统的摄动和外干扰具有一定意义下的鲁棒性而得到广泛的工程应用.然而它的抖振却是应用中一个必须克服的障碍.由文献[11]可知,(7)式的等速趋近率s #=-E sgn (s)的作用,是使系统从初始状态出发在有限的时间间隔内到达滑动面,并且最终保证系统误差收敛的稳定性.其中的系数E 与实现滑动模运动的时间以及抖振的程度大小,有很大的关系.E 越大,系统进入滑动模的时间就会越快,但同时系统的抖振也会越大.对于如何抑制滑模控制器的抖振,由于国内外学者已做了很多相关的探索研究,这里不再评述.在此,为了克服滑模控制器的抖振,而又确保系统具有快速的响应,附加设计了一个由4个单输入、单输出的子模糊器系统构成的模糊控制器[12,13].该模糊控制器的第i 个子系统所起的作用是:当关节变量处于图2 子模型滑模控制器结构F i g .2 Struicture o f f uzzy slidi ng -mode contro ller滑动面上时(s i =0),采用较小的趋近率;而当关节变量处于滑动面附近领域的时候(s i X 0),则根据其距离滑动面的程度采用大小不同的系数E i .从而起到既使得系统较快地进入到滑动模态,而又使系统的抖振能够得到有效的减小.其中,每个子模糊滑模控制器均以s i 为输入,s #为输出;其结构如图2所示.为此,首先对输入变量和输出变量进行模糊化处理.所谓模糊化处理,就是选择适当的量化因子将输入值或输出值匹配成语言变量(模糊状态)的过程.同时,与输入值或输出值相对应的语言变量的隶属度也就确定了.语言变量的基本值分别为{正大(PB),正中(P M ),正小(PS),零(Z O ),负小(NS),负中(NM ),负大(NB)}.在此,用如图3、图4所示的隶属度函数分别对输入变量s i 和输出变量s #i 进行模糊化处理.#102#第1期陈志煌,等:漂浮基双臂空间机器人关节运动的模糊变结构滑模控制其次,设计一个模糊推理规则进行模糊推理,根据经验采用表1所示的模糊推理规则.表1 模糊推理规则Tab .1 Fuzzy control rules输入变量s i NB NM N S ZO PS P M PB 输出变量s#PBP MPSZON SNMNB最后,对输出变量进行清晰化处理.所谓清晰化,又称去模糊或反模糊.采用M a m dan i 算法[12]进行模糊推理运算,所得到的结果是一个模糊集或者是它的一个隶属函数.由于其不能直接作为控制量,因而还必须做一次转换,即将模糊量转换为清晰的数字量.由文献[13]可知,采用面积重心法(centroid)进行解模糊运算可得到令人满意的效果.因此,对所有的子模糊控制器均采用面积重心法进行输出去模糊清晰化.模糊控制器通过模糊推理得到不同的模糊输出隶属度函数,从而令控制系统根据追踪误差来动态调节趋近率中的的值,因此可以得到比较好的控制器品质.在实际应用中,上述过程也可以采用先离线计算,然后再在线查找的方式来进行.4 系统数值仿真以作平面运动的自由漂浮双臂空间机器人系统为例,系统结构见图1.设载体的质量m 0=100kg ,惯量矩I =16.67kg #m 2;机械臂各杆的杆长,l 1=l 2=l 3=l 4=1m;各杆的质量,m 1=m 3=4kg ,m 2=m 4=3kg ;各杆的中心惯量矩,I 1=I 3=0.333kg #m 2,I 2=I 4=0.25kg #m 2;d 0=0.5m,h =0.1m.设双臂空间机器人机械臂关节的期望运动规律为:图5 载体姿态角的变化曲线F i g .5 Change curve o f attitude o f baseq r d =H 1dH 2d H 3dH 4d=0.4+0.4sin0.2P t 0.5si n 0.2P t 0.4+0.4sin0.1P t0.5si n 0.1P t图5是载体姿态角的变化曲线;图6和图7是机械臂各关节的期望运动规律与实际运动规律的比较图,整个仿真过程所用时间t =20s .仿真过程中,载体姿态的初始值为:0.1rad ,机械臂各关节铰的初始值分别为:0.5,0.1,0.3,-0.1rad .图8、图9是系统误差分析图,其中实线表示实际(模糊滑模控制器系统)的误差情况,点划线表示不加模糊控制器直接采用控制方案(8)式所得到的误差情况.#103#福州大学学报(自然科学版)第36卷5 结语仿真计算结果表明,设计的模糊滑模控制器可以保证系统在较大的初始偏差情况下很好地跟踪关节铰期望的运动轨迹,和传统的滑模变结构控制系统(不加模糊控制器)相比较具有响应快、抖振小、精度高的显著优点.参考文献:[1]L i ndsay E .Canad i an space robo ti cs on boa rd the internati ona l space stati on[C ]//2005CCT o MM Sy m pos i u m on M echanis m s ,M achines and M echatron ics .M ontrea:l Canad i an Space A gency ,2005.[2]M e lv i n M onteme rl o (NASA ).25y ea rs of space au t om ati on and robotics at NA S A:an h i stor ica l perspecti ve[C]//P roceed i ngo f the 6t h Internationa l Sy m pos i u m on A rtific i a l Inte lli g ence and R obo ti cs &A uto m a ti on i n Space :i-S A I RAS 2001,Q uebec :Canadian Space Ag ency ,2001.[3]A g rawa l O P,X u Y S .On t he g l obal opti m um path plann i ng for redundant space m an i pu lators[J].IEEE T ransacti on on Sys -te m s ,M an and Cybe m etics 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漂浮基柔性关节空间机器人奇异摄动鲁棒控制
振动 、 测 试 与 诊 断
Ｊ ｏ ｕ ｒ ｎ ａ ｌ ｏ ｆ Ｖｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ． Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍｅ ｎ ｔ＆ Ｄｉ ａ ｇ ｎ ｏ ｓ ｉ ｓ
Ｖｏ １ ． ３ ３ Ｎｏ ． ４
Ａｕ ｇ． ２ Ｏ１ ３
提 出方法 的有 效性 。
持完 全一 致 。 因此 ， 若 在 空 间机 器 人 的动 力 学 建模 和控 制方 法 的设计 过程 中忽 略关 节呈 柔性 的这一 特 性， 空 间机器 人运 动 控 制 的精 确 性 和 稳 定 性 将 会 受 到很 大影 响 。 由于空 间机器 人 为载体 自由漂 浮 的无 根多 体系 统 ， 载体 与 机 械臂 之 间存 在 着 强 烈 的 动 力 学耦合 关 系 ； 参数、 负载 和燃 料等 的变 化使 得 空 间机 器人 的系 统参 数存 在 不 确 定 性 ， 这 些 因素 导 致 惯 常
漂浮 基 柔 性 关 节 空 间机 器 人 奇 异 摄 动 鲁棒 控 制
谢 立 敏 ， 陈 力
（ １ ． 福 州 大 学 机 械 工 程 及 自动 化 学 院 福州 ， ３ ５ ０ １ ０ ８ ） （ ２ ． 福 建 农 林 大 学 机 电学 院 福州 ， ３ ５ ０ ０ ０ ２ ）
人 运 动 轨迹 的 渐进 跟 踪 。 针 对 表 示 系 统 弹 性 振 动 部 分 的 快 变 子 系 统 设 计 了速 度 反 馈 控 制 方 法 来 抑 制 柔 性 关 节 引 起 的振 动 ， 保 证 系 统 的 稳 定 。数 值 仿 真 结 果 证 明 了 所 提 出方 法 的 有 效 性 。
用 于地 面 机器 人 的控制 方法 难 以直接 推广 和应 用 到
参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态、关节协调运动及柔性振动主动抑制的混合控制方案
基 金 项 目 ：国家 自然 科 学 基 金项 目 １ ３２ ２ １６２ ４ ， 建 省 自然 科 学 ０７ ０２、０７ ０ ０ 福
基 金 项 目 Ｅ ４ ００ ０ １０ ８
收稿 日期 ：２０ ０ ９—０ ６一ｌ 修 改稿 收 到 Ｅ期 ：０ ９—０ ０ １ ｔ ２０ ９— ３ 第 一 作者 洪 昭 斌 男 ， 士 生 ，９２年 ９月 生 博 １８
１ 漂 浮 基 柔性 空 间机械 臂 系统 动 力学
不失一般 性 ， 虑 做平 面运 动 的 自由 漂浮 柔性 空 考
第 １期 １
洪 昭斌等 ：参数不确定漂浮基柔性空间机械臂载体姿态 、 关节协调运动及柔性振动主动抑制的混合控制方案
一
９ ５
间机械 臂系 统 ， 统 结 构 如 图 １所 示 。设 系统 由 自由 系 漂浮 的载体 。 刚性机 械臂 Ｂ 、 及 柔性 机械 臂 Ｂ 组 成 。
跟踪 进行简单 控制 ； 文献 ［ ］ ９ 将虚 拟刚性 机械 臂和 假设 运动 反解相结 合 ， 计 了柔 性 空 间机 械 臂模 型 的扩 展 设 Ｐ Ｄ控制 ； 献 ［０ 利用计 算力 矩法 对平 面柔性 空 间机 文 １］
制 。最 后 ， 使用 本 文 设计 的混 合 控 制方 案 对 漂 浮基 柔 性空 间机械臂 系统 进 行数 值 仿 真 ， 真 结 果 证 实 了该 仿 控 制方案在 系统具 有不确 定参 数 时仍 能保 证 系统追 踪
系统 参 数 不 确定 情 况 下 ， 够 使 载体 姿 态 及 机 械 臂关 节 角 稳 定 地追 踪 期 望 轨 迹并 对 所 产 生 的 柔性 振 动 进 行 主动 抑 制 。 能 关 键 词 ：漂 浮 基 柔 性 空 间机 械 臂 ； 合 控 制 ； 混 变结 构控 制 ； 性 振 动 控 制 ； 拟 控 制力 ； 确定 参 数 柔 虚 不 中 图分 类 号 ：Ｔ ２ １ Ｐ４ 文 献 标识 码 ：Ａ
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摘 要 : 针对漂浮基空间机器人及其柔性影响下 动力学模 型 , 提出一种 神经网 络控制 方法 , 把神经 网络和传 统反馈 PI 控制相结合构成一种混合性机器人逆模学习 控制方案 ,并分 析此控 制方法 工作原理 。最后给 出带两机 械臂漂浮基空间机器人的仿真结果 。结果表明所应用逆模控制方法具有较快收敛性 和较高跟踪 控制精度 ,是一种 有效的控制方法 。
O0 O1 重合 , x1 为机械臂的对称轴 , x2 机械臂 B2 未
其中 EI 为柔性臂抗弯刚度 。 设各分体质心 Oci 相 对 O 的矢 径为 ri ( i = 0 , 1) ,柔性臂上任一点 q 相对 O 的矢径为 r ,系统总质 心 C 相对 O 的矢径为 rc 。由系统几何关系得 :
r1 = r0 + l 0 e0 + ae1 r = r0 + l 0 e0 + l 1 e1 + x2 e2 + ue3
第 28 卷第 6 期 2007 年 11 月
宇 航 学 报
Journal of Astronautics
Vol. 28 No. 6 November 2007
漂浮基空间机器人及其柔性影响下 逆模 神经 网络 控制
洪在地1 , 超1 , 陈 力2
(1. 北京航空航天大学机器人研究所 , 北京 100083 ; 2. 福州大学机械工程及自动化学院 , 福州 350002)
[ 1～2 ]
型的先验知识常常难以建立其精确的数学模型 , 即 使能建立某种模型 , 也很复杂 , 计算量大 , 不能满足 机器人实时控制的要求 。人工神经网络的重新兴起 为解决机器人控制中存在的一些问题提供了新的途 径。由于神经网络具有大规模并行处理 、 分布式信 息记忆 、 自学习 、 自适应及联想等功能 , 因而许多学 者致力于用它解决机器人等复杂控制问题 。目 [ 1 ,2 ,5 , 6] 前空 间机器人的研究工作 已开展了很多 ,值 得注意的是 ,一方面大部分研究工作是针对刚性臂 空间机器人进行的 , 而带柔性臂相对较少 ; 另一方面 控制方法主要是常规控制算法 。 顾晓勤 提出消 除弹性变形对负载位姿影响的方法 , 并进一步寻求 最小驱动力矩 及抑制弹性 振动的控制 规律 。洪在 地[ 6 ] 等研究带柔性臂空间机械臂系统的控制问题 , 取得比较满意的结果。 本文提出一种机器人神经网络控制方法 , 即把 神经网络和传统反馈 PI 控制相结合构成一种混合 型的机器人逆模学习控制 ; 进一步研究刚性机械臂 及其柔性影响下的轨迹跟踪神经网络控制 , 以适合 机器人不确定性特点。 通过仿真实例计算 , 表明此 控制方法在刚性臂和带柔性臂漂浮基空间机器人应 用的有效性。 1 系统动力学方程 不失一般性 , 考虑做平面运动的漂浮基末端柔
i =0
∫ rdx
0
l 2
1 2
=
i =0
6
l 2
mi + ρ l2
rc
( 3)
为 l i ; 分体 Bi ( i = 0 ,1) 质量和中心惯量分别为 mi 和 Ii ,且柔性连杆线密度为 ρ 。
由 (3) 式得
1
6
mi + ρ l2
rc - ρ
i =0
∫r d x
0
2
- m1 r1 Π m0 ( 4)
忽略微弱的重力梯度 , 空间机械臂系统为无外 力作用 的自 由浮 动无 根多 体系 统 , 遵 守对 ( O XY) 的动量守恒及相对 O 点的动量矩守恒关系 。 不
失一般性 , 设系统相对 ( O - XY) 的初始动量和相 对 O 点的初始动量矩均为零 ,即总质心速度矢量 � rc = 0 , rc 为一常量 ,并设为 0 。
[ 2] [ 5] [3 ,4 ]
。其突出特点 表现为 : 空间机 械臂
系统为非完整动力学系统 , 系统动力学方程关于系 统惯性参数呈非线性函数关系 , 系统运动 J acobi 关 系不仅与系统几何参数还与质量等惯性参数、 抗弯 刚度有关。上述情况下结构弹性在动力学分析及控 制规律的设计中应予以考虑 , 因此大大增加了控制 系统设计的难度 。 不仅如此 , 漂浮基空间机器人操作时往往具有 不确定性 , 如参数的摄动 , 负载的扰动及载体中燃 料消耗等 ,而用现有的漂浮基空间机器人动力学模
(2)
变形时对称轴 , 且在运动 中始终与柔性梁在 O2 相 切 。设 O1 在 O0 x 0 轴上与 O0 的距离为 l 0 , B 1 质心
Oc 1 沿 O1 x 1 的长度为 a , Bi ( i = 1 ,2) 沿 Oi x i 的长度
根据系统质心定义 , 有
1
6
r0 =
ri mi + ρ
收稿日期 : 2006212222 ; 修回日期 :200720 5222
8
Байду номын сангаас
第6 期
洪在地等 : 漂浮基空间机器人及其柔性影响下逆模神经网络控制
151 1
性两臂空间机器人系统 , 如图 1 。系统由漂 浮的刚 性载体 B 0 , 刚性连杆 B 1 和末端柔性连杆 B2 组成 的 。建立各分体 B i ( i = 0 ,1 ,2) 的联体坐标系 ( Oi - xi yi ) ,其中 O0 与 B 0 的质心 Oc0 重合 , O1 、 O2 分别 与联结 B0 与 B1 、 B1 与 B 2 的转动铰中心重合 ; x0 与
关键词 : 漂浮基空间机器人 ; 柔性臂 ; 神经网络控制
中图分类号 : TP24 文献标识码 : A 文章编号 : 100021328 (2007) 062 1510205
0 引言 漂浮基空间机器人的主要任务是在宇宙空间代 替宇航员完成捕捉失效卫星 ,建造空间站 、 维修空间 站设施等工作 。从节省控制燃料 、 增加空间机械臂 的有效使用 寿命 , 进而 减少发射费 用的角度考 虑 , 在操作中空间机器人载体位置 、 姿态均不受控制 ,并 使用具有质量轻 、 杆长等特点的操作臂。在这种情 况下 ,机械臂的运动与载体的位姿之间 、 柔性臂的刚 体大位移和弹性振动之间存在着强烈的动力学耦合 作用 。在微重力环境下 , 自由漂浮的空间机器人可 以看为无根多体系统 , 在操作过程中 , 机械臂的相 对运动引起载体位姿的变化 , 柔性臂的弹性振动影 响关节 、 末端轨迹跟踪精度 ,给控制及运动分析带来 极大的困难